漫谈矿山法隧道技术第四讲——钢架

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都　610031)



漫谈矿山法隧道技术第四讲——钢架

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都610031)

摘要：介绍型钢钢架的类型、应用要点及功能效果。重点阐述能使型钢钢架发挥支护效果的关键因素(包括： 与围岩紧密接触、增强脚部支持力、与喷混凝土形成一体、采用高规格型钢钢架)，强调应坚持钢架与围岩间用楔块楔紧；提出当围岩条件恶劣时，可借鉴日本开发的用型钢代替大拱脚的方法；认为当断面大、围岩差时，有必要用高规格的H型钢代替工字钢，可不增加开挖断面面积和喷混凝土的数量。介绍瑞士在Gotthard隧道预计会出现大变形时，采用的可缩式钢支撑，具有使坑道刚性逐渐提高的效果。我国钢架多采用人工架设，速度慢且架设质量难以保证，介绍日本的钢架架设设备(带举重臂的一体型喷射台车和搭载在钻孔台车上的架设机械)，这些设备可以提高钢架架设的安全性和作业效率。介绍日本对型钢钢架的施工管理规定。从国外隧道施工趋势来看，采用型钢钢架很少，采用格栅钢架更为普遍。在格栅钢架的应用方面，与国外相比，我国的经验更为成熟。我国的格栅是4肢的，美国、日本、欧洲一些国家的格栅是3肢的。比较详细地介绍了挪威的钢筋肋。日本在二川公路隧道的试验，认为在与标准支护模式同等承载力的条件下，3根主筋构成的格栅，每榀比H型钢大约节约100 kg钢材。日本正在研究用高强度喷混凝土代替型钢钢架的可行性，值得关注。最后强调： 1)钢架如果与围岩不紧密接触，就不可能发挥其应有的支护功能，因此，设置楔块必不可少，喷混凝土时钢架与围岩间要喷密实； 2)应进一步研究格栅钢架和型钢钢架的应用及适用条件。

关键词：隧道； 矿山法； 型钢钢架； 可缩式钢支撑； 机械化架设； 施工管理； 格栅钢架； 钢筋肋； 高强度喷混凝土

0引言

钢架是从木支撑演变而来的。目前钢架大体上分为型钢钢架和格栅钢架2类。钢架的采用与国情和习惯有关，日本主要采用型钢钢架，而欧美则主要采用格栅钢架，我国则是型钢钢架和格栅钢架兼用。

一般来说，在初期支护中，钢架很少单独应用，多数场合是与喷混凝土或锚杆一道使用。在不良围岩中，钢架是必不可少的支护构件之一，特别是型钢钢架如安装合理、及时，就能立即发挥其支护效果，是其他支护构件不可比拟的。因此，了解钢架的基本特性、支护机制及安设要求是非常重要的。

1型钢钢架

图1为钢架构造的概貌。型钢钢架采用的钢材有H型钢、钢管、V型钢、U型钢等，我国几乎都采用I型钢，局部采用H型钢。V型钢和U型钢是在净空位移大的特殊场合采用可缩式钢架用的钢材。日本主要采用H型钢或高强度HH型钢。

图1　钢架构造概貌

在通常的开挖中，多是上半断面开挖后再开挖下半断面。为此，支护脚部要适应下半断面的施工，在下半断面没有开挖的部分要设支护垫板。钢架的设置宽度因为比隧道宽度大，故其半径也要比隧道半径大，或者用直线段扩展。

钢架在小断面隧道中通常分为2段，在拱顶处设接头，此接头位于支护的轴线位置，用2根螺栓连接；因此，接头不能传递弯矩，在构造上成为3铰拱，而且要求接头部也不能传递轴力偏心产生的弯矩。由于偏心产生多余的弯矩会使强度下降，为此，一般都在接头板上部留有10 mm左右的间隙，在荷载作用下此间隙闭合，就能够无偏心地传递轴力。

钢架是压缩构件，组装时要在荷载面内保持平面，同时要维持其平面，否则会产生面外屈服。为此，支护间要相互连接，为防止面外方向的变形要设联系构件。联系构件要能应对压缩变形和拉伸变形，应对压缩变形可采用钢管或圆木，应对拉伸变形可采用联系螺栓。用喷混凝土埋住钢架的场合，可不用联系构件。联系构件的间隔最好密些，通常采用1.0～1.2 m。

底板的设置有与支护轴线直交的方法和配合开挖面水平设置的方法。水平设置可能造成支护轴力的水平分力使脚部向围岩侧滑动，因此脚部一定要用楔块楔紧。与支护轴线直交设置的场合，支护脚部的开挖要配合底板。

在钢架安装正常的情况下，钢架的功能及效果见表1[1]。

2发挥型钢钢架支护效果的关键

2.1与围岩紧密接触

不管采用哪种开挖方法，不管开挖如何精心，开挖面都是凹凸不平的，型钢钢架很难与围岩紧密地、全面地直接接触，即使有接触也是局部的；再加上架设不到位，可以说型钢钢架与围岩是不密贴的，存在局部或全部悬空的状态。在这种情况下，型钢钢架多数受局部集中荷载或偏压荷载的作用，因此，型钢钢架是易于变形(易于弯曲或屈服)的支护构件。为此，钢架架设后要用垫块、楔块等楔紧，以调整力的分布，使之充分发挥支护作用。

《铁路隧道工程施工技术指南》中规定： “沿钢架外缘每隔2 m用钢楔或混凝土预制块楔紧”，但在实际工程中没有做到。

钢架与围岩间用钢楔或木楔等楔紧是非常重要的，因为楔块的作用不仅仅是楔紧，同时给予钢架和围岩以同等的反力，且此反力是可以调节的，可大可小，视围岩状况决定，一般都设定在200～300 kPa。由于往往忽视这一点，常造成钢架局部受力过大而屈服、失稳。日本型钢钢架用楔块楔紧的试验结果(见图2和表2)，充分说明了这一点。

表2中，A是有9个楔点的情况，B是有7个楔点的情况，C是有5个楔点的情况，F是楔点具有反力的情况，Fa是楔点没有反力的情况。由表2可知，楔点数对钢架的作用影响很大，若9个楔点时钢架承载力为100%，7个楔点则是80%，5个楔点是60%，承载能力大幅度下降。

表1　钢架的功能及预计效果的概念

图2　钢架的楔点

Table 2Testing results of influence of wedging points on bearing capacity of steel arch

接触点状态ABCF接触点有反力的钢支撑1008060Fa接触点无反力的钢支撑907050

在型钢钢架上设楔形块，使之与围岩接触，是国内外普遍的做法，这一点一定要坚持。楔块应作为型钢钢架的配件予以制备，不能等闲视之。

2.2增强脚部支持力

型钢钢架是用轴力来支持荷载的，能够在很大的轴力下工作，此轴力应通过底板确实地传递、支持围岩。若围岩恶劣，荷载很大，支持力低，则会因支持力不足而引起下沉；特别是在大断面隧道中，对拱脚的支持力要求很高，此时有必要扩展支持面积，常采用“大拱脚”就是一例，但加大拱脚是有限的，而且要扩幅开挖，使开挖断面形状变差。图3是日本户田、西松会社共同开发的用型钢代替大拱脚的一种方法。

图3　钢架脚部构造示意图

在型钢钢架脚部设置确保接地面积的垫板，同时在型钢两翼焊接钢板以分散钢架的轴力，防止支撑的初期沉降。必要时，在钢板上设打入锚杆或侧壁钢管的孔，来增强防止沉降的效果。这种方法如果与锁脚锚杆相结合，可能对控制下沉的效果更佳。

2.3与喷混凝土形成一体的构造

钢架必须与周边围岩紧密接触，同时也必须与喷混凝土形成一体，才能充分发挥其功能。在喷混凝土初期强度形成之前，围岩是依靠钢架独立支撑的，当喷混凝土强度形成之后，钢架与喷混凝土才能共同发挥支护作用。因此，应尽可能地让喷混凝土充分包裹钢架，背后及角部不留空隙是很重要的，只要精心喷射完全可以做到这一点。

2.4采用高规格型钢钢架

大断面隧道与双车道隧道相比，开挖宽度几乎增加2倍，高度增加1.5倍，型钢钢架的轴力、弯矩要大得多，同时由于断面扁平而引起的应力集中也大。为此，型钢钢架有大型化的必要，随之钢架质量增加、安装时间增加、开挖断面面积也增加，会对隧道开挖速度产生相当的影响。

因此，采用高强度的钢材，使之轻量化和初期支护薄壁化，以提高其施工性能。高规格型钢钢架的应用，经过材料特性、FEM解析、弯曲承载力试验等的性能评价研究及试验施工，在日本新东名隧道中已经实现了标准化。日本新东名隧道采用的型钢钢架规格标准见表3。

表3　高规格钢架的材料规格

与过去采用的普通钢相比，高规格钢能够满足其性能和特性，而且尺寸经济。

图4是CⅡ模式下过去采用的钢材与高规格钢材钢架的比较。

从图4可以看出，日本的型钢钢架经历了工字钢、H型钢、HH型钢的变化，其主要目的是在围岩比较差的场合，不增加开挖断面面积，而用低高度的H型钢以及高强度的HH型钢。

在Ⅴ级围岩中开挖隧道，由于采用工字钢型钢钢架，喷混凝土厚度不得不增加到28 cm，这显然是不合适的，不仅增加了喷混凝土的数量，而且也扩大了开挖断面。在这种情况下，采用H型钢是非常必要的。

图4　CⅡ模式下过去采用的普通钢架与高规格钢架的比较

Fig. 4Conventional steel arch vs. high-performance steel arch under CⅡ mode

3可缩式钢架

在瑞士的Gotthard隧道中，因为预计会出现大变形，采用了可缩式钢支撑。该支撑不是过去(见图5)那种单纯是缩小的支撑，而是一边维护支护内压(刚性)、一边缩小的支撑。具体地说，就是在喷混凝土中设置“支护应力控制器”(见图6)，其方法有以下2种。

(a)

(b)

1)AT-LSC Elements。是在圆柱内部充填特殊的砂浆，压缩量可达50%，抗压强度能够在1～5 MPa调整(应用于Tauern隧道和Gotthard隧道)。

2)hiDCon。是梁型的高压缩性砂浆，其变形量可达50%(应用于Lyon—Turin高速铁道)。

因为两者都是在内部配置有高压缩性的特殊砂浆，所以能够对应不同的净空位移。

(a)

(b)

Lyon—Turin高速铁道的SMLP作业坑道是黑色片岩、砂岩、黏土质页岩夹有煤层的不均质破碎带(埋深350 m以上)，采用可缩式钢支撑，视距掌子面的距离，具有使坑道刚性逐渐提高的效果。

4钢架的机械化架设

国外的钢架多数是工厂预制的，主要采用H型钢，有特殊情况时采用U型钢和钢管。

钢架架设占用作业循环时间比较长，因此日本曾进行过取消钢架的试验。我国的钢架多数是由人工架设的，速度慢，且架设质量也存在问题。

钢架一般多在钻孔台车(见图7)或者喷射机台车上设置专用的架设机械进行架设。图8是日本在赤岩隧道采用的安装在一体型喷射机台车上的架设机械，目的是提高架设钢架的安全性和作业效率，缩短喷射时间。钢架搭载在台车的举重臂上，用液压控制调整器，决定架设位置，架设需要5 min，安装系杆、金属网需要12 min，架设十分迅速，可架设H125～H250钢架，臂长4 650～8 260 mm，载荷1 250 kg。图9是洞内架设钢架概况，图10是洞外搭载钢架的状况。

目前中铁隧道集团已开发出钢架架设机(见图11)，并进行了现场试验。

5型钢钢架的施工管理

日本在《隧道施工管理要领》[2]中，对型钢钢架的施工管理规定如下。

施工前应提交的报告见表4。

图7　搭载在钻孔台车的架设机械

图8　带举重臂的一体型喷射台车

图9　洞内架设钢架

图10　洞外搭载钢架

(a)

(b)

试验类型 报告书名 报告书样式报告书(标准)提交份数需要监管员同意钢支撑基准试验日常管理试验品质管理报告书制造厂的规格证明书制品进场后的第2天1○形状检查报告书自主保存1品质管理报告书制造厂的规格证明书自主保存1

报告书中的基准试验应符合表5的规定。

报告书中的日常管理试验应符合表6的规定。

6格栅钢架

格栅钢架是由钢筋编织而成的支护构件。从国外隧道施工的趋势看，很少采用型钢钢架，普遍采用格栅钢架，如挪威法、美国法等。与国外比较，我国格栅钢架的应用经验可能更为成熟，值得很好总结。我国的格栅多数是4肢的，美国、日本以及欧洲一些国家的格栅基本上是3肢的。挪威更为不同，通常的做法是把6根直径为16 mm的钢筋固定在长40～60 cm的钢条上，用径向锚杆固定，挪威称之为钢筋肋[3](见图12)，有单排的，也有双排的，应用也是多种多样的。图13为钢筋肋的施工状况。

表5　报告书中的基准试验

表6　报告书中的日常管理试验

(a) 钢筋肋的基本构造

1—喷混凝土； 2—找平喷混凝土； 3—锚杆； 4—钢筋肋； 5—喷混凝土保护层； 6—锚杆头部。

(b) 单排的钢筋肋

(c) 双排的钢筋肋

(a) 喷混凝土前

(b) 喷混凝土后

格栅钢架与喷混凝土的结合比型钢钢架好，但架设初期是不能承载的，需要与喷混凝土结合,并在喷混凝土强度形成后才能承载，其承载性能随喷混凝土强度的增加而增长。两者的支护机制是不同的。挪威的钢筋肋是柔性的，安装比较方便，并用锚杆固定。

日本在修建二川公路隧道时，作为新技术对格栅进行了试验施工[4]。试验施工是在CⅡ级围岩区间(延长99.6 m)中的10.8 m(9榀)进行的。

试验采用3根主筋构成的格栅，底板和接头用L形钢材焊接(见图14)。

图14　格栅概貌

格栅的规格(主筋直径、断面尺寸)按与具有标准支护模式同等的承载力决定。表7是决定的格栅规格和与标准支护模式的H型钢的比较。图15是把格栅和H型钢换算为钢筋与喷混凝土作为钢筋混凝土构件时的承载力的比较。

据此，在与标准支护模式具有同等承载力的条件下，每榀格栅比H型钢少约100 kg的钢材。

图16是美国公路隧道采用三角形格栅与喷混凝土构成的衬砌断面，其中包括焊接金属网(WWF)、格栅、背后注浆用注浆软管以及聚丙烯纤维喷混凝土的表层。

表7　格栅规格与H型钢的比较

图15　与标准支护模式的承载力比较

图16　典型的衬砌细部构造

7用高强度喷混凝土代替型钢钢架

从日本进行的用高强度喷混凝土代替型钢钢架的研究中，可以看出有取消型钢钢架的倾向。其理由是：在隧道开挖—支护的施工循环中，型钢钢架的架设所占用的时间比例是比较大的，型钢钢架加工、安装比较费时、费力，取消型钢钢架可以缩短作业时间，有利于快速施工；由于型钢钢架与围岩接触不良，易造成受力异常而屈服，用高强度喷混凝土代替型钢钢架，有利于改善支护的受力状态。目前，此项研究仍在进行中，这个问题值得关注。

8小结

型钢钢架存在的主要问题是： 如果不设置楔块，是不可能与围岩紧密接触的；不紧密接触，钢架就不可能发挥其应有的支护功能；钢架接触不良，会造成钢架受力异常，从而导致钢架变异，施工中出现的钢架变异多数与此有关。因此，设置楔块是必不可少的作业，不可忽视，也要求喷混凝土做到这一点。

其次，对格栅钢架和型钢钢架的应用及其适用条件应进一步设定，如什么情况下宜采用格栅钢架，什么情况下宜采用型钢钢架。

参考文献(References)：

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[3]Norwegian Tunnelling Society.Norwegian tunnelling technology[M]. Sandvika: Norwegian Tunnelling Society,2014.

[4]金尾剑一ら.ラチス—ガ—ダ—支保工ほかか新技术、新工法を试みる[J].トンネルと地下,2011(42): 12.(Kimo Chi.Study on new technologies(i.e. girder)[J]. Tunnel and Underground,2011(42): 12.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture IV: Steel Arch

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:The types, application key points and functions of shaped-steel arch are presented. The key factors, including closely connecting between shaped-steel arch and surrounding rocks, strengthening the support of arch feet, closely connecting between shaped-steel arch and concrete and using high-performance shaped-steel arch, which can improve the supporting effect of shaped-steel arch, are presented. It is emphasized that the wedge should be used at the connection between steel arch and surrounding rocks. The shaped steel can be used under bad surrounding rocks. The author suggests that the I-shaped steel can be replaced by the H-shaped steel under large construction cross-section and bad surrounding rocks without enlarging the construction cross-section and increasing the concreting amount. The retractable steel support used in Gotthard Tunnel in Switzerland can improve the rigidity of the tunnel. The steel arch is installed by labor in China. The steel arch installing machine used in Japan can improve the construction efficiency and guarantee the construction safety. The construction management of steel arch in Japan is presented. The girder is more popular than steel arch in China and abroad. The construction of girder in China is superior to that abroad. The girder used in China has 4 feet and that used in European countries has 3 feet. The reinforcing rib used in Norway is presented in detail. The testing results of highway tunnel in Japan illustrate that the girder with 3 main ribs is superior to the H-shaped steel under the same bearing capacities. The practicability of high-performance concrete in Japan is studied. The author suggests that the application and applicable conditions of girder and shaped-steel arch should be further studied.

Keywords:tunnel; mining method; shaped-steel arch; retractable steel support; mechanization; construction management; girder; reinforcing rib; concreting

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0123-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.001

作者简介：关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-15