隧道型钢拱架加工连接钢板精准定位技术

李志双

隧道型钢拱架在洞外分节段加工，洞内分节段安装定位。由于钢拱架相邻节段的连接钢板间的对接误差、孔位偏差、安装误差造成现场拼装的钢架连接钢板不密贴，连接板螺栓孔错位等质量问题，影响隧道初期支护钢架整体受力。本文从钢拱架加工源头分析，采用等离子切割机、自动剪板机，冲孔机，并通过简易定位模架辅助定位焊接连接钢板，达到拱架加工精准定位连接钢板的目的。

目前我国大部分隧道施工是以新奥法为主，新奥法施工原理是充分发挥围岩的自稳能力，通过喷、锚、网、钢支护形式稳固围岩。初期支护质量决定隧道整体的施工质量和运营通车安全保障。型钢拱架作为围岩的承载环，相邻节段的钢板连接处为围岩变形拱架受力薄弱点，若发生拱架加工不规范、拱架运输过程变形、作业人员施工随意等因素，将导致初期支护拱架变形、喷射混凝土开裂等不可控现象，增大隧道的施工风险。作为拱架施工的第一道作业——型钢拱架的加工尤为重要，保证拱架加工的合格率才能有效避免拱架连接偏差的问题。本文以万州环线一分部天德村隧道钢拱架加工工艺改进为例，通过等离子切割机、剪板机自动剪裁钢板，冲孔机冲孔等加工设备，再依靠简易定位模架辅助定位焊接连接钢板，取代了连接钢板制作和定位大多依靠放线画样、目测定位切割的工艺，提高了拱架加工效率和连接板加工定位精度。

一、工程概况

天德村隧道位于重庆市万州区新田镇，左线全长354m，右线全长320m。隧道围岩均为V级围岩，最大埋深36m，整座隧道为浅埋偏压隧道，地质较差，岩层为顺层地质，页岩与砂层互层。隧道洞口临近S105省道，洞身长距离下穿省道，洞顶距离省道最大埋深仅为24m。天德村隧道作为中交一公局在建重点关注隧道，其具有“浅埋、偏压、极小净距、地质顺层、下穿省道”五大施工难点，并且全洞均为V级围岩，围岩极破碎。依据新奥法施工原理，初期支护采用喷锚网钢架形式，大量使用到型钢拱架支护，相邻节段的型钢拱架连接质量是隧道初期支护施工质量的关键。

二、现状及存在问题

隧道内拱架安装属狭小空间作业，单榀拱架运输进洞及定位安装不便，故隧道初期支护所用的型钢拱架在洞外分单元加工，洞内分节段安装。工字钢端部的连接钢板是相邻节段工字钢连接的媒介。当前连接钢板制作和定位大多依靠放线画样、目测定位切割，人工手持焊具辅助焊接，造成工字钢与连接钢板的焊接角度位置偏差，直接影响到钢拱架相邻节段拼接的安装质量和作业效率。拱架安装超过规范允许偏差，将导致钢拱架无法拼接、螺栓孔对不上、连接钢板间存在缝隙等缺陷，若掌子面为软弱围岩变形过大，将在拱架薄弱受力点连接钢板处折断、变形，严重时将发生隧道坍塌的“关门”事故，给掌子面施工的作业人员带来极大的安全隐患。

三、工艺流程

从钢拱架加工源头入手，通过改良钢拱架连接钢板的加工质量，提高钢拱架连接钢板的精确对中率，达到提升隧道初期支护拱架连接施工质量的目的。施工工艺流程包括：钢板进场检验→等离子机切割→剪板机裁剪→冲孔机冲孔→定位模架辅助焊接→成品试拼装。

四、施工工艺

1.钢板切割

连接钢板采用等离子机自动切割技术、保证每块钢板尺寸一致，减少相邻节段钢拱架连接过程中钢板不密贴，螺栓孔不对中的情况。

数控等离子切割机是以氧气+乙炔或丙烷的压缩气体为工作气体，以高温高速的火焰为热源，将被切割的金属局部熔化，并同时用高速气流将已熔化的金属吹走，形成狭窄切缝。该设备不仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小，而且作业人员操作简单，施工效率高。

天德村隧道钢拱架施工连接钢板采用厚度为10mm的Q235钢板，原材钢板尺寸为6m*1.5m，加工钢板时首先沿横向切割出长条钢板，长条钢板宽度按设计分为18cm（I16型钢拱架）、20cm（I18型钢拱架）、22cm（I20b型钢拱架）。切割时固定好轨道，专人操作，匀速切割。

采用等离子机切割钢板相较于人工切割具有以下优点：

（1）速度快，效率高，机械切割速度比人工切割速度快6~8倍；

（2）切割领域宽，可切割所有金属板材。

（3）切割精度比人工切割高，切口平整，线条顺直，外观优良。

2.长条钢板剪切

长条钢板切割完成后，需要对其进行剪板，连接钢板设计长度均为20cm，通过剪板机剪切出标准连接钢板尺寸。

剪板机是在上下刀片相对运动下，对待加工的金属板材施加剪切力，促使板材按所需要的尺寸断裂分离。剪切前对长条钢板进行画线，按设计每20cm做一道标记，将长条钢板送入剪板机机床并加以固定，逐块剪切出标准连接钢板。通过在剪板机工作台上点焊定位装置，高效，简易控制连接板裁剪尺寸及成品线型。

人工气割钢板不仅割口粗糙，而且伴有较严重的热变形，成品质量控制较难。因此采用剪板机切割钢板效率高、质量好、成本低。

剪板机裁剪钢板需注意对刀片刃口的保护，定期对机器进行检修及保养，同时在剪切作业时禁止同时剪切两种不同型号的材料，更不允许进行重叠剪切操作。

3.连接板冲孔

连接板裁剪完成后，进行冲孔作业。钢板冲孔加工人员只需根据连接钢板螺栓孔布置形式及尺寸，制作辅助连接钢板螺栓孔定位卡槽，应用冲孔机对螺栓孔精确冲孔，可达到快速、准确冲孔的目的，进而加强初期支护拱架连接合格率。

4.连接板定位焊接

连接钢板冲孔完成后，与工字钢进行焊接形成钢拱架单元。隧道拱架连接钢板采用定位模架，将连接钢板穿在定位模架螺栓上，然后通过定位模架底部三角支架固定在工字钢上，连接钢板与工字钢完全固定好后，将连接钢板与工字钢进行满焊，完成钢拱架单元的制作。

通常隧道拱架连接板与工字钢采用划线焊接，加工时无固定辅助加工模具，螺栓孔位制作精度差，孔位难以对中，导致现场多节段拱架拼装质量差，影响钢架整体受力，增大了隧道围岩应力释放造成隧道连接板部位初期支护变形、扭曲、坍塌风险。

图1 连接板焊接辅助定位简易模架装置

为解决上述问题，参考国内其它隧道对连接钢板定位模架的使用情况，设计出一套简易模架辅助定位连接板焊接施工装置（图1）。

简易模架由三脚架、螺栓定位架、纵向钢管组成，每个简易定位模架长度为80cm，设置两组三脚架，三脚架间距50cm，端部焊接螺栓定位架，三脚架和螺栓定位架尺寸和拱架型号相对应。连接板定位步骤如下：现将加工好的连接板固定在螺栓定位架上，然后将三脚架固定在工字钢腹板槽内，前后固定定位模架使连接板与工字钢端部紧贴，焊工对连接板与工字钢进行满焊作业，完成一个拱架单元的制作。

五、成果及效益分析

通过改进对钢拱架连接钢板的施工工艺，以机械化方式代替全人工加工模式，在连接板加工质量、效率上均得到了极大提升。

采用划线放样、目测定位传统连接钢板加工工艺，存在焊接位置、角度偏差大等缺陷。新工艺采用机械化代替人工作业，减少职业病伤害，同时在钢板标准尺寸加工、螺栓孔精准定位、钢板与工字钢的焊接质量均有较大改善。经对成品拱架单元的钢板尺寸、螺栓眼位对中情况、连接板焊缝质量、连接板平整度进行抽检取样，合格率均有大幅度提升，不仅减少了拱架薄弱点的产生，也对初期支护的钢拱架安装质量优良垫定了坚实的基础，。

从经济效益上分析，采用新工艺施工在人工成本上也得到了较大的节约。

表1 连接板加工新老工艺成本分析

天德村隧道全长674m，洞内钢拱架单元超过1200榀，平均每榀加工成本节余167元，全隧可节省成本20万元，洞身长度越大，经济效益越加突出。

六、结语

隧道初期支护施工质量优劣的关键在于单榀钢拱架整体连接质量，本文提及的拱架连接板加工设备实用高效，简易定位模架使拱架的工字钢与连接钢板位置准确、角度无偏差、螺栓眼位能精确对中，确保了钢拱架的拼接质量，增强了初期支护稳定性，降低了隧道施工风险，操作简便，作业效率高，经济效益显著。本文阐述的连接板加工、焊接的工艺可以运用到其它隧道的钢拱架加工。