拱架在水工隧洞临时支护中的应用

刘 放，程 春

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

地下洞室开挖爆破之后，需要及时对隧洞进行临时支护，以保证施工安全。在计划经济时代，水工隧洞在实际施工中往往选择刚度较大的型钢拱架，后来铁道工程局介入水电建设，格栅拱架使用才逐渐多了起来。这两种支护方式孰优孰劣?当然要针对不同的情况而定。

1 型钢拱架和格栅拱架的比较

1.1 制作与安装

在青龙电站引水隧洞施工中，型钢拱架采用I20a型工字钢，使用机械弯制成拱形。格栅拱架为四弦杆式，四根主杆用φ25 mm型螺纹筋在操作台上人工弯制成拱形，主杆间设斜杆（φ16 mm）和箍筋（φ10 mm），组合焊接成格栅形式，断面规格20 cm×20 cm。

在多诺电站引水隧洞施工中，型钢拱架采用I16型工字钢，使用机械弯制成拱形。格栅拱架为四弦杆式，四根主杆用φ22 mm型螺纹筋在操作台上人工弯制成拱形，主杆间设斜杆（φ16 mm）和箍筋（φ10 mm），组合焊接成格栅形式，断面规格15 cm×15 cm。

每榀拱架根据隧洞断面长度分为3或5段，接头采用钢板、螺栓连接。安装时采用挖掘机或滑轮吊装成拱，前后两榀拱架间均采用型钢或钢筋连接，提高拱架联合受力的整体刚度。两种拱架架立后，及时进行挂钢筋网、喷混凝土覆盖，使混凝土和拱架联合受力，提高支护强度，封闭围岩，防止不稳定岩体掉块。拱架应尽量接触围岩，或者多预备几个规格的拱架，根据隧洞开挖后超挖断面选择拱架规格。0.5 m以上的空隙应考虑在主拱上方设附拱。

1.2 使用成本

在水工隧洞施工过程中，以V类围岩支护拱架为例，青龙电站隧洞拱架所用材料分别为工字钢I20a和螺纹钢φ25 mm，多诺电站隧洞拱架所用材料分别为工字钢I16和螺纹钢φ22 mm，拱架和横向支撑的间距都按l.0 m计，不考虑喷锚。由此得到两种拱架的成本，如表1所示。

表1 每米拱架的成本估算 元

根据上表，格栅拱架每米成本为型钢拱架的1.05%～1.08%，分析其原因如下：

1）型钢拱架制作快速，格栅拱架制作工序较多，制作时间较长，钢筋和工字钢采购价格相差很小，因此格栅拱架制安单价与型钢拱架相差不大，实际制安价格格栅拱架略高。

2）型钢和钢筋型号应根据电站隧洞断面进行匹配，隧洞断面越大使用工字钢和螺纹钢越粗，经过匹配计算，型钢拱架和格栅拱架重量相差不大。

1.3 使用环境

隧洞支护时应根据隧洞地质围岩条件选择不同的拱架支护，使用拱架的隧洞一般为IV～V类围岩，岩体完整性差，比较破碎、不稳定，施工开挖后围岩松弛较强，此类围岩在隧洞开挖后应及时进行包括拱架在内的临时支护，不然可能产生塌方。

格栅拱架和型钢拱架从材料特性上考虑，普遍认为格栅拱架具有相对柔性，刚度适中，容许围岩适度变形的能力优于型钢拱架，能及时提供支护阻力，适用于岩层比较破碎、不稳定的地层。型钢拱架采用工字钢材料，其抵抗山岩压力的能力大于以螺纹筋为材料的格栅拱架，适用于岩层十分破碎、非常不稳定的地层。

在电站隧洞实际施工过程中，V类偏差的围岩一般使用型钢拱架，IV类偏差和V类偏好的围岩一般使用格栅拱架。

2 型钢拱架和格栅拱架实际应用和原则

2.1 实际应用分析

在多诺电站隧洞（5.2 m×5.6 m）施工期间，基本采用格栅拱架进行支护，而实际效果也比较好，在工程施工期间（3年）基本未发生事故。在青龙电站隧洞施工前期，根据其经验，在V类围岩支护中也大量采用格栅拱架。后来在4号支洞控制主洞下游工作面发生两次塌方，经分析发现，4号支洞下游塌方段岩石为花岗斑岩侵入体，侵入体呈岩墙顺层侵入，岩层走向基本与洞轴线近于平行，且裂隙相互切割，岩体完整性差，岩体中挤压破碎带发育，充填灰白色岩屑及岩粉，岩块间嵌合差，岩体以块裂结构为主，少量碎裂～散体结构，为Ⅴ类围岩。隧洞开挖后随着围岩应力释放，隧洞周边发生变形，而格栅拱架虽然有一定的适应变形能力，但刚度不够，导致在部分洞段发生塌方。后来根据实际经验，修改了4号～5号支洞间的临时支护措施，将该段的V类围岩支护全部改为了型钢支护，后期隧洞继续开挖期间，虽然隧洞仍有部分变形，但在该部分加强支护后，再未发生塌方事故。

2.2 拱架应用范围研究

1）拱架适应变形能力。型钢拱架是工字钢弯曲而成，有一定的刚度和变形能力，可以适应较大的山岩变形，在较大的山岩压力下依然有支撑能力，从而避免塌方。

格栅拱架是由钢筋弯曲焊接而成，必须与喷混凝土形成钢筋混凝土联合受力支撑山岩压力，在较大的山岩变形情况下喷混凝土将崩解，从而形成格栅拱架单独受力，变形较大时格栅拱架可能焊点破坏失去支撑能力，造成隧洞塌方。

在拱架的实际应用中，也发现型钢拱架的变形能力相对格栅拱架要大一些。格栅拱架可以适应围岩一定的变形而不破坏，适用于围岩变形较小的隧洞。型钢支撑刚度较大，一般用于围岩较破碎、变形较大的隧洞，型钢主要以其刚度抵抗围岩的变形，如围岩变形较大，超过其型钢的支撑能力，型钢将被破坏，此时一般的处理是增加其刚度。

2）拱架与隧洞断面。隧洞断面越大，隧洞变形和塌方的可能性越大，同时隧洞山岩压力越大，因此需要刚度较大的拱架来作隧洞支护。根据隧洞临时支护的稳定计算，以及青龙、多诺以及类似电站的现场支护经验，隧洞断面对于型钢支撑以及格栅拱架的建议选择如下：

格栅拱架建议用于跨度5.0 m以内的IV、V类围岩段，以及5～10 m的隧洞IV类围岩段（岩石为硬岩，变形量较小）。

型钢拱架建议用于跨度5.0 m以内的V类围岩软岩段（较破碎，有地下水、围岩易变形等不良地质洞段），跨度5.0～10.0 m隧洞的V类围岩软岩段（围岩易变形）。

跨度10.0 m以上隧洞因断面较大，建议全部使用型钢拱架。

2.3 拱架应用原则

在对型钢拱架和格栅拱架的选择上，主要遵循以下原则：

1）应根据隧洞地质围岩条件及支护安全度选择不同的拱架支护。在充分进行地质分析的基础上，在保证安全的前提下采取最节约投资的支护措施，在投资和安全度上寻找平衡点。

2）无论采取型钢拱架或格栅拱架，必须认识到拱架支撑仅是起着骨架作用，更应该重视的是随之加固的喷混凝土或混凝土浇筑。喷锚网和拱架体系形成柔性支护和刚性支护共同作用、联合受力，形成整体结构，起到防止失稳的良好作用。

3）支护完成后要加强监测（围岩变形收敛监测），勤观察，一旦发现有不利变形，要迅速采取进一步的加强支护；如变形较大且未收敛，则相同围岩洞段建议加强型钢刚度；如仍有部分洞段出现拱架变形扭曲，建议及时浇筑混凝土进行衬砌（边挖边衬）。

3 结语

根据型钢拱架和格栅拱架在实际工程中的应用，可以认识到，在水工隧洞施工中，如果计算和选择得当，单榀格栅拱架与型钢拱架重量和单价均相差不多，格栅拱架和型钢拱架使用费用相差并不大。格栅拱架与型钢拱架相比并未具有很大优势，实际施工中应根据隧洞断面和实际地质条件选择使用相应拱架。

［1］王任国，张立勇.格栅钢架与型钢拱架在隧洞支护中的比较与应用［J］.四川水利，2007（1）.