小隧洞钢拱架支护安全控制措施应用及分析

(1.青海省引大济湟工程建设管理局，青海 西宁 810000；2.青海省海东市民和县水务局，青海 海东 810800)

安全是隧洞施工中的一个重要和棘手的问题，国内专家通过理论联系实际，系统地研究了隧洞内安全隐患。戴胜念[1]通过安全风险识别对隧道施工安全风险管理展开系统的探讨研究，杨秀权[2]等探讨了长大隧道施工安全管理对策,吴拱北[3]通过施工过程中的风险分析为施工安全寻找有效措施，任够平[4]通过山西大水网隧洞施工总结出了“6因素”预防的新概念和做法、克服“10思想”和正确处理“3关系”等。这些研究均未提及在进行钢拱架支护时，如何保证裸洞下施工人员的安全。本文详细论述了青海省引大济湟工程两条地质情况不同、施工工艺不同的小断面隧洞在钢拱架支护时的安全防护方法，也就是裸洞防护。裸洞防护的主要措施就是在施工人员上方设立一道防护罩，防止掉块或塌方直接伤害到下面施工人员，使掉块可以有缓冲或分向。本防护方法既能有效保证施工人员的安全，还可以提高工作效率。

1 工程概况及特点

1.1 工程概况

a.隧洞1长度700m，分两个掌子面施工，工程地段分别为黄土段、砂砾石段及软岩段，所以开挖时大部分按Ⅴ类围岩断面开挖，采用人工配合铣挖机进行掘进，严禁爆破，并且开挖必须遵循“短进尺、勤支护”的原则。该隧洞Ⅴ类围岩断面尺寸为2.84m×2.78m(高×宽)，断面为城门洞形，如图1所示，分两种支护形式。第一种：岩性相对较好的、无地下水影响的采用间距80cm钢拱架(H140×80)及波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护。第二种：岩石破碎、松散易塌方、有地下水影响的采用间距80cm钢拱架(H140×80)、超前锚杆(φ22，L=3.0m,外露0.2m)及波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护。顶拱和边墙喷混凝土厚度10cm，钢筋网环向、纵向采用HPB300的φ8钢筋，网片规格尺寸为20cm×20cm，另外边墙设锁脚锚杆，锚杆采用φ18的HRB400钢筋，长度1.5m,入岩长度1.2m。

图1 隧洞断面图

b.隧洞2长度2017.56m，分两个掌子面施工，工程地质情况为：洞内岩性较为复杂，有黄土、砂岩、砂砾岩、泥岩、震旦系石灰岩、白云质灰岩。黄土结构松散，土质均一。砂岩、砂砾岩及泥岩呈层状结构或碎裂状结构，薄层—中厚层，局部有少量渗水现象。震旦系石灰岩及白云质灰岩，属中等坚硬岩，基本稳定，有断层发育处岩体较破碎，节理裂隙发育，所以开挖时大部分按Ⅳ、Ⅴ类围岩断面开挖,采用“短进尺、弱爆破、勤支护”的原则进行施工，以确保施工质量、安全和进度。该隧洞Ⅳ类围岩断面尺寸为3.26m×2.8m(高×宽)，Ⅴ类围岩断面尺寸为3.36m×3.22m(高×宽)，断面为城门洞形，如图1所示。本隧洞Ⅳ类围岩洞段采用两种支护形式。Ⅳ类(1)围岩采用间距100cm钢拱架(H160×88)及波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护；Ⅳ类(2)围岩采用间距80cm钢拱架(H160×88)及波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护。顶拱和边墙喷混凝土厚度10cm；钢筋网环向、纵向采用HPB300的φ8钢筋，网片规格尺寸为20cm×20cm；另外外墙设锁脚锚杆，锚杆采用φ18的HRB400级钢筋，长度1.5m，入岩长度1.2m。Ⅴ类围岩洞段采用两种支护形式。Ⅴ类(1)围岩采用间距80cm钢拱架(H160×88)及波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护；Ⅴ类(2)围岩采用间距80cm钢拱架(H160×88)、超前锚杆(φ22，L=3.0m，外露0.2m)及波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护；顶拱和边墙喷混凝土厚度10cm；钢筋网环向、纵向采用HPB300的φ8钢筋，网片规格尺寸为20cm×20cm；另外，边墙设锁脚锚杆。

1.2 工程特点

上述两条隧洞均为小断面隧洞[5]，小断面隧洞最大的特点是施工空间小。在钢拱架支护时基本是用人工代替专业机械设备来完成，并且洞内风水管道、电线较多等一系列因素会导致隧洞开挖支护难度加大、施工效率降低，且为隧洞内工作人员增加了太多的安全隐患[6]。

2 安全防护方法

2.1 防护棚式防护

将防护棚式防护运用于隧洞1。防护棚所需材料及加工方法如下：

a.材料：φ22钢管17m、φ8钢筋30m、φ16钢筋20m、伸缩节4个。

b.加工方法：首先将φ22钢管加工成两个拱梁和4个防护棚支撑腿，并将4个伸缩节分别加装在4个支撑腿里面以起升降作用，然后将φ8钢筋和φ16钢筋焊接成钢筋网，再将钢筋网焊接到φ22钢管拱梁上，最后将防护棚顶拱部分和防护棚支撑腿通过螺栓固定组装便可利用，如图2所示，三维效果如图3所示。

图2 防护棚详图

图3 防护棚三维效果图

2.2 扒渣机式防护

将扒渣机式防护运用于隧洞2。由于上述防护棚式防护措施在洞身段运输时占用时间较多，严重影响施工进度，而隧洞2由于围岩性质采用爆破施工，出渣时利用扒渣机出渣，在扒渣机出完渣后，可以充分利用扒渣机进行钢拱架安装，在保证人员施工安全的情况下也能缩短安装时间。

扒渣机式防护罩的加工方法如下：

a.材料： 50cm×30cm×2cm(长×宽×厚)的钢板两块，扒渣机一台。

b.加工方法：先将钢板宽边的一端切割一个深20cm、宽10cm口子，然后在扒渣机斗子、钢板的宽边另一端各打三个眼，最后将钢板用螺丝固定在扒渣机斗子上。详细步骤如图4所示，实物如图5所示。

图4 扒渣机式防护详图

图5 扒渣机式防护实物图

3 防护棚式和扒渣机式防护运用方法

3.1 防护棚运用方法

a.完成人工或者铣挖机开挖、欠挖部分处理、开挖面危石处理，使隧洞内具备立钢拱架条件。

b.将钢拱架、连接筋、钢筋网片、电焊机等材料和工具运至工作面。

c.防护棚就位。

d.在已支护完成的位置将连接筋、钢筋网片焊接在拱圈外侧。

e.将焊接完成的拱圈放在防护棚上并确定稳定牢靠。

f.将防护棚下面的伸缩杆伸长，将拱圈放置在设计位置。

g.立拱人员将拱腿与拱圈连接。

h.连接筋焊接。

i.安装两侧边墙钢筋网片，加密连接筋，使连接筋焊接牢靠。

j.安装下一榀钢架。

3.2 扒渣机防护运用方法

a.完成隧洞开挖爆破、欠挖部分处理、开挖面危石处理，使洞内具备立拱条件。

b.将钢拱架、连接筋、钢筋网片、电焊机等材料和工具运至工作面。

c.扒渣机就位。

d.在已支护完成的位置将连接筋、钢筋网片焊接在拱圈外侧。

e.将焊接完成的拱圈放在扒渣机斗子上两块钢板的凹槽内，并确定稳定牢靠。

f.扒渣机大臂慢慢升起，将拱圈放置在设计位置。

g.使用两根钢管在扒渣机斗子两侧进行支撑，防止油缸突然卸压。

h.立拱人员将立腿与拱圈连接。

i.连接筋焊接。

j.扒渣机撤出。

k.安装两侧边墙钢筋网片，加密连接筋，使连接筋焊接牢靠。

l.安装下一榀钢架。

4 防护棚式和扒渣机式防护效果分析

4.1 防护棚式和扒渣机式防护优点

a.洞内施工危险源有：ⓐ开挖后裸洞部分围岩应力在短时间内未释放完，容易造成小块岩体脱落与坍塌导致下面钢拱架施工人员受伤；ⓑ洞内立体交叉作业，容易造成物体打击伤人；ⓒ人工出渣、清理掌子面时，顶拱掉落的岩块容易造成砸击伤人。以上危险状况下，可通过在防护棚下或者扒渣机式防护下的安全空间内施工，降低甚至避免伤害。

b.传统立拱方法，拱圈需要3～4人相互配合从隧洞底板抬至洞顶设计位置，比较费力、费时，而且施工人员如果相互配合不好，会造成拱圈掉落，从而威胁施工人员安全。而防护棚伸缩杆或者扒渣机的升降功能均可便捷、轻松地将90kg左右的钢拱架拱圈及上层钢筋网放置设计高程，因此可提高施工效率、降低施工难度和安全风险。

4.2 防护棚式和扒渣机式防护缺点

4.2.1 防护棚式缺点

防护棚有一定的体积，要长期占用隧洞内空间，这就使作业面更加狭小，对施工人员、施工机械造成不便。如果防护棚材料过于笨重，随着隧洞的掘进，需要增加施工人员将其在洞内进行搬运，这也会影响施工进度，所以在此建议防护棚采用高强度、低密度材料，以便搬运。

4.2.2 扒渣机式缺点

扒渣机式相对防护棚式占用洞内空间小，主要占用空间的材料就是扒渣机斗子上面的两块钢板，而且钢板的运输可以通过扒渣机完成，不会影响施工进度。但是扒渣机式裸洞防护最大的前提就是要有扒渣机，而有些隧洞在施工过程中用不到扒渣机，这就有了一定的局限性。

5 结 语

a.防护棚式和扒渣机式安全防护都能有效地降低隧洞钢拱架施工时的安全风险，但是扒渣机式防护能充分利用洞内机械，相对而言节省了时间、投资，所以建议在条件允许的情况下将安全隐患解决思路建立在充分利用洞内机械设备上，比如黏土岩在施工时利用铣挖机掘进，将防护棚和铣挖机结合利用，或者在出渣时利用自卸汽车出渣，将防护棚和自卸汽车结合利用等。

b.隧洞内安全控制措施还需依靠现代科技力量，配置自动监测预报系统，对重点部位加强监控，从而提高事故预警能力。比如洞内布设地质超前预报系统、变形监测系统、有害气体自动报警系统等。