隧道钢拱架加工偏差分析及控制原理

林 冬 冬

(中交一公局总承包经营分公司，北京 100024)



隧道钢拱架加工偏差分析及控制原理

林 冬 冬

(中交一公局总承包经营分公司，北京 100024)

根据隧道钢拱架加工的基本原理，分析了钢架安装后侵限以及同一榀钢架不在同一断面的原因，探讨了控制隧道钢架加工偏差的措施，使钢架加工作业满足规范设计要求。

隧道，钢拱架，加工偏差，千斤顶

0 引言

隧道初期支护施工中钢架安装后侵限及同一榀钢架不在同一断面的现象是隧道施工业界的通病，往往造成施工单位为此付出沉重的代价。初支侵限造成衬砌厚度不足，施工单位不得不请设计院进行踏勘及检算，甚至是拆除返工；而同一榀钢架不在同一断面则是每一次检查都被通报的问题，严重的同样造成拆除返工。对此，有的单位把这些归结为施工过程管理不到位、有的则归结为工人技术熟练程度不够或设备是在磨合调试阶段不可避免的一个过程，但是却没有几个单位、几个管理人员或技术人员从技术的角度来分析和解决这些问题。本文就从技术及原理的角度来分析、解决这一问题，为以后的隧道初期支护钢架问题提供一个解决的技术参考。

1 隧道钢架加工基本(数学)原理

隧道钢架是初期支护的一部分，是限制洞身围岩初期变形、提高围岩自稳能力的有效措施；为了最大限度地发挥钢架的作用、同时也是为方便施工，钢架按照开挖断面设计紧贴洞壁围岩安装，因此钢架的加工就要从这一设计目的和用途出发严格按照大样图进行加工。

钢架采用型钢弯曲机进行加工，弯曲机由两个固定外支点(A和B)及活动中支点(千斤顶C)组成，钢架的曲率大小通过活动支点(千斤顶C)由千斤顶的伸长量来调节。由设备的结构及加工图可以看出型钢弯曲机的工作原理是平面几何中圆的知识——在弦长L固定的条件下半径R与正矢H的函数关系(如图1所示)。

由图1可知：两个固定支点间的距离是已知的(固定值)，而半径是在施工图中已经确定的定值(即弦长AB=L、半径为R)，此时要确定一个圆(弧)只需要确定它的正矢(中间活动支点千斤顶的伸长量CD)；根据平面几何中圆的知识得：

正矢CD的延伸是垂直于弦AB的一个半径R，则：

正矢CD=半径R-垂距OC

(1)

(2)

式(2)求正矢的公式就是在加工钢架时确定中支点千斤顶伸长量的数学原理公式。

2 隧道钢架加工偏差分析

2.1 钢架加工偏差引起侵限的原因分析

隧道钢架安装后发生侵限的具体表现有两种情况：

1)拱顶正好而拱脚侵限(见图2)；

2)拱脚正好而拱顶侵限(见图3)。

从图2可以看出，钢架的曲率明显大于隧道开挖轮廓线的曲率，这是造成钢架拱脚侵限的根本原因。

从图3可以看出，钢架的曲率明显小于隧道开挖轮廓线的曲率，这是造成钢架拱顶侵限的根本原因。

一个圆(圆弧)的大小是由其半径(曲率)的大小决定的，而隧道断面的半径一般都比较大，在钢架加工的过程中要测量半径非常的不方便，因此在加工过程中都是根据上述加工原理控制正矢(中支点千斤顶伸长量)来达到控制钢架弧度及偏差。

2.2 同一榀钢架不在同一断面的原因分析

在实际施工过程中钢架加工与安装常常发生的另一个通病就是“同一榀钢架不在同一断面”，这主要有以下两个方面的原因：

1)钢架本身在运输和加工过程中发生了轻微的翘曲，致使拼接安装后不在同一断面；

2)钢架接头问题(钢架的连接板与钢架的轴线不垂直)引起拼装的钢架严重翘曲。

前者造成钢架翘曲的幅度小，自然对钢架支护作用的影响就小，而后者造成的钢架翘曲占据了绝大多数，且往往造成整榀钢架翘曲幅度偏大，对钢架支护作用的影响最大。

3 隧道钢架加工偏差控制

由以上分析可知，在钢架加工过程中控制加工偏差的核心就是控制钢架加工的曲率，而控制曲率偏差从根本上则是控制千斤顶伸长量的偏差；以下就从技术理论的角度来分析如何控制千斤顶伸长量的偏差。

从图1可以看出型钢弯曲机在加工钢架时两个固定支点(A和B)在钢架的外侧(外轮廓线)，而千斤顶(活动中支点C)却在钢架的内侧(内轮廓线)；加工钢架的这一过程就犹如一块钢梁(被加工的型钢)在两个固定支点(A和B)作用下形成一简支梁在跨中集中荷载(中支点千斤顶)的作用下弯曲变形(见图4)，这是钢架加工的工程力学原理。

将图4中的核心部分(圈起部分)独立出来放大就是图5，这就是钢架在弯曲机下的实际加工数学模型图，从图中可以得到：

千斤顶的伸长量D=千斤顶归零时距离两固定支点的垂距d+正矢H-型钢截面高度h

(3)

其中，千斤顶归零时距离两固定支点的垂距d为定值(由该型号的弯曲机参数确定)；型钢截面高度h为已知数(由具体施工图中所用的型钢规格参数确定)；正矢H为由所加工的钢架具体使用部位根据施工图设计的隧道开挖断面的尺寸按上述的式(2)计算确定。

即，将式(2)代入式(3)得：

(4)

其中，R，L等参数的意义同上。

得到的这个公式(式(4))就是钢架加工过程中用来控制其形状尺寸的参数“千斤顶的伸长量D”的计算公式。

以上是从钢架加工的工程力学原理出发，近似认为钢架加工过程中型钢与两个固定支点(A和B)的接触点(支点)的位置不变，但实际情况却是这两个支点间的距离是逐渐变小到某个值的(见图6)。那么上述理论得出来的公式能否保证加工出来的钢架偏差满足规范要求，以下就根据实际情况下弯曲机加工钢架的模型图进行分析(见图6)。

如图6所示，型钢在加工的过程中与固定支点的接触点由E点逐渐滑动到F点，决定钢架最终形状尺寸的弦长就由最初的AB最终减小到2×GC，减小量为2×EG。

由图6可以得出：

直角三角形AOK∽直角三角形JAE∽直角三角形JFG，则有：

(5)

那么，最终弦长:

(6)

将式(6)代入式(4)得：

(7)

得到的式(7)就是在考虑了固定支点(A和B)与型钢的接触点(支点)随着型钢弯曲变形而滑移的情况下，理论“千斤顶伸长量D′”的公式。

现有的规范对钢架加工的允许偏差没有明确要求，只规定钢架安装后不得侵入二衬；但图纸的规定是：加工后的钢架沿隧道周边拼装轮廓误差为±3cm，即钢架加工半径的允许偏差为±1.5cm。由式(4)反推得：

(8)

由式(7)反推得：

(9)

由式(8)，式(9)得：

(10)

根据该型钢弯曲机的型号参数可知：AB弦长L=213 cm、固定支点的半径r=5 cm、千斤顶归零时距离两固定支点的垂距d=50 cm，而隧道开挖断面(双线隧道)的最小半径都在721 cm以上，将这些数据代入式(10)得：

钢架加工半径偏差ΔR=-0.109 16 cm远远小于规定允许的偏差±1.5 cm。

因此，简单化建立的公式(式(4))求得的弯曲机加工钢架的千斤顶伸长量满足实际偏差的需要，同时还使问题简单化便于实际解决。

4 结语

隧道钢拱架加工偏差的控制就是在实际操作过程中严格按照(式(4))准确计算的弯曲机千斤顶伸长量进行实际偏差控制确保钢架加工偏差满足设计要求，在这一过程中技术人员首先要根据施工图准确计算各个单元钢架加工时的弯曲机千斤顶伸长量，其次作业人员在加工时准确按照计算的千斤顶伸长量进行设置；只要这两步都处于可控状态，钢架加工的偏差自然就满足设计要求，钢架安装后就不会发生侵限。

[1] 铁建设[2010]241号,高速铁路隧道工程施工技术指南[S].

[2] TB 10753—2010,高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].

[3] 中铁工程设计咨询集团有限公司.新建铁路张家口至呼和浩特铁路施工图——初期支护及辅助措施参考图[R].2013：6.

Analysis on tunnel steel arch process deviation and control principle

Lin Dongdong

(FHECofCCCCGeneralContractingBusinessBranch,Beijing100024,China)

According to the basic principle of tunnel steel arch process, this paper analyzed the invasion after steel frame installation and the causes of unified common trusses steel frame under same cross section, discussed the measures to control the tunnel steel frame process deviation, made the steel frame process operation meet the design requirement specifications.

tunnel, steel arch, process deviation, jack

1009-6825(2016)10-0193-03

2016-01-23

林冬冬(1985- )，男，助理工程师

U455

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