適用于隧道機械化施工的折疊式鋼拱架及立拱關鍵技術研究

張國偉， 李德武， 雷嘯天

(蘭州交通大學， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國正處于高速鐵路和公路建設快速發展階段，隧道建設數量、總長度均居世界第一位，然而隧道在機械化施工方面還處于發展階段，尤其鋼拱架的安裝等關鍵環節更是需要大量的工人。由于人工立拱施工速度慢、安裝質量得不到保證，而且在拱頂部位安裝時易發生落石，存在較大的危險性，給隧道安全施工帶來了極大隱患，因此，迫切需要一種滿足機械化裝配的鋼拱架形式。

前人對于鋼拱架安裝機械設備進行了大量研究，趙岳[1]詳細介紹了XZGMT411多功能拱架安裝機在躍龍門隧道中的使用情況； 劉飛香[2]研發了SCDZ133智能型隧道多功能作業臺車，解決了隧道鋼拱架安裝勞動強度大、效率低等施工問題； 為了避免隧道立拱過程中人員發生工傷的情況，戶田建設設計了一種鋼拱架拼裝遠程無人化施工系統[3]； 何源福等[4]為了降低人工作業對施工的影響，設計了隧道掘進機(TBM)鋼拱架拼接機械手的抓取對接機構； 倪平利[5]介紹了新型隧道支護作業裝備的研究與應用情況。但是，傳統鋼拱架節段在拱架安裝機械的輔助下，仍然需要人工進行螺栓連接，未能實現鋼拱架安裝的機械化。在鋼拱架接頭設計方面，汪俊波[6]設計了可縮動鋼拱架，分析了其在層狀軟巖彎折大變形隧道中的支護效果； 孫傳智等[7]介紹了一卡扣式機械連接預應力混凝土實心方樁，為鋼拱架連接方式的改進和應用提供了可靠依據； 何滿潮等[8]針對擠壓型軟巖隧道大變形問題，研究了一種適用于軟巖大變形隧道的自適應鋼拱架節點，并驗證了自適應鋼拱架節點的可行性； 冉鑫[9]分析了耐火泥和阻尼材料的用量以及構件開孔大小對可縮動鋼拱架承載性能的影響，為隧道鋼拱架節段接頭連接方式提供了借鑒。在隧道支護形式以及鋼拱架受力分析方面，曹岳嵩[10]以格魯吉亞E60高速公路F2標公路隧道項目為依托，在歐標體系下表明了優化后鋼架設計方案的可行性； 鄧斌等[11]為控制軟巖變形，提出了“弱化錨桿+增強初期支護的剛度與強度”的支護方案； 王利明等[12]針對北疆供水二期KS隧洞工程，建立了鋼拱架穩定性判斷流程和安全等級； 榮耀等[13]針對船頂隘隧道穿越斷層破碎帶時出現變形過大現象，提出了減小鋼拱架間距、增加初期支護強度的支護方案，驗證了支護優化的可行性； 李君杰等[14]推導出雙參數彈性地基模型下的徑向位移和內力公式，為隧道鋼拱架受力分析提供了可靠的理論依據； 廖偉等[15]以下穿渝湘高速公路的鳳咀江鐵路隧道為背景，研究不同圍巖和不同拱架間距下隧道初期支護鋼拱架的應力分布規律。綜上所述，目前關于能夠滿足機械化施工的鋼拱架形式研究較少，但是傳統鋼拱架形式又不能滿足機械化施工的要求，安裝主要依靠人工，拼裝質量和效率得不到保障。

本文在現有機械化裝備、鋼拱架接頭連接方式以及拱架承載能力研究的基礎上，為加快裝配式隧道及地下工程建設技術的發展，總結已有研究成果，提出滿足機械化裝配的折疊式鋼拱架； 在隧道開挖支護過程中，折疊式鋼拱架可以利用多功能作業臺車進行立拱，降低工人勞動強度，提高立拱效率。

1 折疊式鋼拱架設計方法研究

1.1 總體方案設計

折疊式鋼拱架是一種適用于機械化裝配的新型拱架形式，至少包括2個拱架單元，相鄰的拱架單元之間為轉動連接，拱架單元通過卡接結構進行拼接。卡接結構實現相鄰拱架單元之間的固定，無需人工再對拱架單元的連接端進行螺栓固定，提升了鋼拱架的安裝效率和質量，減輕了操作人員的勞動強度。

折疊式鋼拱架如圖1所示。結構包含不同尺寸的鋼拱架節段和接頭裝置，根據隧道斷面尺寸和施工方法，利用連接裝置將加工的鋼拱架節段進行洞外拼接，在隧道施工現場通過多功能作業臺車，可以實現隧道鋼拱架機械化安裝。

圖1 折疊式鋼拱架

1.2 折疊式鋼拱架接頭裝置

折疊式鋼拱架接頭裝置屬于卡接裝置，如圖2所示。卡接結構如圖3所示，包括設置在一個拱架節段上的錐型端頭和設置在另一個拱架節段上的彈性卡扣位。在彈性卡扣位內部設有用于容納錐型端頭的空腔和彈性卡圈，彈性卡圈如圖4所示。將折疊式鋼拱架展開后，錐型端頭卡入彈性卡扣位中，即可將鋼拱架節段之間連接定位。

圖2 折疊式鋼拱架接頭裝置

1.3 折疊式鋼拱架參數設計

折疊式鋼拱架節段根據隧道斷面尺寸進行加工制作，節段之間用連接裝置進行連接。將連接裝置的鋼板和拱架節段進行焊接，焊縫應飽滿。鉸鏈規格的選取、錐型端頭和彈性卡扣位的數量和規格根據受力計算確定。

圖3 卡接結構

圖4 彈性卡圈

彈性卡扣位的空腔內徑是錐形端頭直徑的1.05～1.1倍，彈性卡圈的內徑是錐形端頭直徑的4/5～19/20，這樣既能保證錐形端頭通過彈性卡扣位空腔，又能保證彈性卡圈卡緊錐形端頭，使得折疊式鋼拱架結構的連接裝置滿足構造要求。

彈性卡扣位內設有安裝彈性卡圈的環形槽，其規格為彈性卡圈的1.1～1.5倍，當錐型端頭穿過彈性卡圈時，可以為彈性卡圈提供膨脹空間。彈性卡圈上設有缺口，使其易實現膨脹變形和復原； 彈性卡圈由彈簧鋼制成，具有良好的彈性變形能力。

2 折疊式鋼拱架力學性能數值模擬

2.1 工程背景及模型參數的確定

新烏鞘嶺隧道進口位于天祝縣打柴溝鎮，出口位于安遠鎮，最大埋深952 m，全長17 125 m。裝配式鋼拱架安裝試驗位于新烏鞘嶺隧道進口段，該段采用長臺階法施工，上臺階高度為7.11 m，下臺階高度為3.05 m，臺階長度為35～50 m。隧道斷面尺寸如圖5所示。

依據新烏鞘嶺隧道進口段地質勘探報告，進口段為Ⅴ級軟弱圍巖，采用我國現行《鐵路隧道設計規范》所推薦的破損階段法進行荷載計算，可得垂直圍巖壓力和水平圍巖壓力分別為259.2 kPa和103.7 kPa。模型參數如表1所示。

圖5 隧道斷面尺寸(單位： cm)

表1 模型參數

2.2 折疊式鋼拱架數值模型的建立

上臺階鋼拱架分為3段，鋼拱架連接裝置分別位于隧道中心線兩側45°。利用ABAQUS有限元軟件，采用荷載結構法建模，分別給鋼拱架施加垂直和水平圍巖壓力。由于拱腳鎖腳錨桿的作用，鋼拱架兩端拱腳邊界約束條件設置為完全固定； 鋼拱架網格劃分選擇結構化網格，單元類型為C3D8R(8節點六面體線性減縮積分單元)。

為了提高數值模擬結果的合理性和可靠性，通過對計算模型進行合理的簡化，提高模型計算結果的可靠性。連接端頭鋼板之間的鉸接裝置賦予ABAQUS中的組合連接屬性HINGE來模擬，其由平移連接屬性JOIN和旋轉連接屬性REVOLUTE組合而成，2個連接點之間不允許發生相對平移，只能沿著一個方向發生相對旋轉； 將彈簧卡扣對錐形端頭的約束作用進行綁定簡化，其符合連接裝置的作用機制。折疊式鋼拱架計算模型如圖6所示，鋼拱架接頭局部結構如圖7所示。

2.3 數值模擬結果分析

折疊式鋼拱架位移如圖8所示。由圖可知，折疊式鋼拱架在隧道圍巖壓力的作用下，鋼拱架位移呈現左右對稱狀態。拱頂處鋼拱架豎向位移達到最大值，至兩側逐漸減小； 拱架豎向位移為70.6 mm，未超出隧道拱頂沉降允許值。

圖6 折疊式鋼拱架計算模型

圖7 鋼拱架接頭局部結構

圖8 折疊式鋼拱架位移(單位： mm)

折疊式鋼拱架主應力如圖9所示，受拉為正，受壓為負。鋼拱架在圍巖壓力作用下，最大主應力以受壓為主(見圖9(a))，最小主應力以受拉為主(見圖9(b))，應力集中主要出現在拱腳位置，因此，隧道鋼拱架架設時，要對拱腳位置進行補強，防止鋼拱架在拱腳位置破壞。折疊式鋼拱架最大壓應力為51.5 MPa，最大拉應力為34.8 MPa，根據第三強度理論，鋼拱架的最大切應力為86.3 MPa，未達到允許應力，結構安全。

(a) 最大主應力

(b) 最小主應力

彈性錐頭主應力如圖10所示，應力集中部位主要在錐頭與定位鋼板連接處，彈性錐頭所受的最大拉應力為166.0 MPa，最大壓應力為52.8 MPa，均為超出彈性錘頭的屈服強度。由于彈性錐頭受力較為復雜，而強度理論就是關于建立空間復雜應力狀態下材料的強度條件，所以根據第三強度理論可得，彈性錐頭的最大切應力為218.8 MPa，未達到彈性錐頭抗剪強度250 MPa，接頭連接處是安全的。

(a) 最大主應力

(b) 最小主應力

3 立拱關鍵技術研究

首先，通過多功能作業臺車進行折疊式鋼拱架洞外拼裝試驗，結果表明其工作性能可以滿足隧道鋼拱架安裝機械化。折疊式鋼拱架拼裝試驗如圖11所示。

圖11 折疊式鋼拱架拼裝試驗

然后，在新烏鞘嶺隧道進口段上臺階進行折疊式鋼拱架洞內安裝試驗，如圖12所示。

(a)

(b)

根據現場試驗統計，立拱人員由原來的9人減少到3人(1名操作手+2名工人)，1榀拱架安裝用時由原來的1.5～2 h/榀降低至1 h/榀。施作過程中遇到的主要難點為多功能作業臺車拱架抓取頭靈活度不夠，抓取拱架耗時較長； 折疊式鋼拱架受空間限制，在掌子面不能順利撐開等問題。

最后，通過折疊式鋼拱架洞外和洞內安裝試驗，總結了利用多功能臺車安裝過程中的技術要點：

1)安裝前清除兩側鋼架底腳下的虛渣及雜物，當拱腳(或拱墻)超挖，不能用土回填，應采用混凝土墊塊進行調整； 并檢查開挖斷面凈空是否合格，合格后測定出路線中心，確定鋼拱架的高程和橫向位置，確保其不偏斜、扭曲，并位于同一鉛垂面。

2)根據測設位置，利用拱架安裝機將整榀鋼架一次性舉升提起，先安裝拱部中間節段，根據測量點并通過拱架安裝機的一個抓臂將拱架固定，然后分別通過另外2個抓臂將兩側的鋼拱架節段打開，利用鉸接板的連接裝置確保拱架連接牢固，并固定在穩定的基礎上。

3)鋼架架立完成后，利用拱架安裝機的鉆錨注一體設備施作鎖腳錨管，為加強鎖腳錨管的剛度，利用自帶注漿機在鎖腳錨管內填充水泥砂漿； 當折疊式鋼架和初噴層之間有較大間隙時，環向應每隔2 m用混凝土預制塊楔緊，且應盡快進行噴混凝土作業，并將鋼架背后用噴射混凝土填充密實，使鋼架與噴混凝土形成共同受力結構。

4 結論與討論

1)結合裝配式隧道及地下工程建造技術理念，設計了一種適用于機械化裝配的折疊式鋼拱架，并在新烏鞘嶺隧道進口段得到應用。

2)通過數值模擬表明，折疊式鋼拱架在隧道圍巖壓力的作用下，拱頂處鋼拱架豎向位移最大，至兩側逐漸減小，且拱頂豎向位移為70.6 mm，未超過變形允許值。

3)根據第三強度理論，鋼拱架最大切應力為86.3 MPa，未達到允許應力，結構安全。

4)總結了折疊式鋼拱架在隧道及地下工程裝配施工的技術要點。

5)尚存在難以解決的問題主要是多功能作業臺車立拱的靈活性，應對其機械性能進行優化，進而滿足拱架安裝的機械化。