適用于隧道機械化施工的折疊式鋼拱架及立拱關(guān)鍵技術(shù)研究

張國偉， 李德武， 雷嘯天

(蘭州交通大學， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國正處于高速鐵路和公路建設(shè)快速發(fā)展階段，隧道建設(shè)數(shù)量、總長度均居世界第一位，然而隧道在機械化施工方面還處于發(fā)展階段，尤其鋼拱架的安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)更是需要大量的工人。由于人工立拱施工速度慢、安裝質(zhì)量得不到保證，而且在拱頂部位安裝時易發(fā)生落石，存在較大的危險性，給隧道安全施工帶來了極大隱患，因此，迫切需要一種滿足機械化裝配的鋼拱架形式。

前人對于鋼拱架安裝機械設(shè)備進行了大量研究，趙岳[1]詳細介紹了XZGMT411多功能拱架安裝機在躍龍門隧道中的使用情況； 劉飛香[2]研發(fā)了SCDZ133智能型隧道多功能作業(yè)臺車，解決了隧道鋼拱架安裝勞動強度大、效率低等施工問題； 為了避免隧道立拱過程中人員發(fā)生工傷的情況，戶田建設(shè)設(shè)計了一種鋼拱架拼裝遠程無人化施工系統(tǒng)[3]； 何源福等[4]為了降低人工作業(yè)對施工的影響，設(shè)計了隧道掘進機(TBM)鋼拱架拼接機械手的抓取對接機構(gòu)； 倪平利[5]介紹了新型隧道支護作業(yè)裝備的研究與應(yīng)用情況。但是，傳統(tǒng)鋼拱架節(jié)段在拱架安裝機械的輔助下，仍然需要人工進行螺栓連接，未能實現(xiàn)鋼拱架安裝的機械化。在鋼拱架接頭設(shè)計方面，汪俊波[6]設(shè)計了可縮動鋼拱架，分析了其在層狀軟巖彎折大變形隧道中的支護效果； 孫傳智等[7]介紹了一卡扣式機械連接預(yù)應(yīng)力混凝土實心方樁，為鋼拱架連接方式的改進和應(yīng)用提供了可靠依據(jù)； 何滿潮等[8]針對擠壓型軟巖隧道大變形問題，研究了一種適用于軟巖大變形隧道的自適應(yīng)鋼拱架節(jié)點，并驗證了自適應(yīng)鋼拱架節(jié)點的可行性； 冉鑫[9]分析了耐火泥和阻尼材料的用量以及構(gòu)件開孔大小對可縮動鋼拱架承載性能的影響，為隧道鋼拱架節(jié)段接頭連接方式提供了借鑒。在隧道支護形式以及鋼拱架受力分析方面，曹岳嵩[10]以格魯吉亞E60高速公路F2標公路隧道項目為依托，在歐標體系下表明了優(yōu)化后鋼架設(shè)計方案的可行性； 鄧斌等[11]為控制軟巖變形，提出了“弱化錨桿+增強初期支護的剛度與強度”的支護方案； 王利明等[12]針對北疆供水二期KS隧洞工程，建立了鋼拱架穩(wěn)定性判斷流程和安全等級； 榮耀等[13]針對船頂隘隧道穿越斷層破碎帶時出現(xiàn)變形過大現(xiàn)象，提出了減小鋼拱架間距、增加初期支護強度的支護方案，驗證了支護優(yōu)化的可行性； 李君杰等[14]推導(dǎo)出雙參數(shù)彈性地基模型下的徑向位移和內(nèi)力公式，為隧道鋼拱架受力分析提供了可靠的理論依據(jù)； 廖偉等[15]以下穿渝湘高速公路的鳳咀江鐵路隧道為背景，研究不同圍巖和不同拱架間距下隧道初期支護鋼拱架的應(yīng)力分布規(guī)律。綜上所述，目前關(guān)于能夠滿足機械化施工的鋼拱架形式研究較少，但是傳統(tǒng)鋼拱架形式又不能滿足機械化施工的要求，安裝主要依靠人工，拼裝質(zhì)量和效率得不到保障。

本文在現(xiàn)有機械化裝備、鋼拱架接頭連接方式以及拱架承載能力研究的基礎(chǔ)上，為加快裝配式隧道及地下工程建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)已有研究成果，提出滿足機械化裝配的折疊式鋼拱架； 在隧道開挖支護過程中，折疊式鋼拱架可以利用多功能作業(yè)臺車進行立拱，降低工人勞動強度，提高立拱效率。

1 折疊式鋼拱架設(shè)計方法研究

1.1 總體方案設(shè)計

折疊式鋼拱架是一種適用于機械化裝配的新型拱架形式，至少包括2個拱架單元，相鄰的拱架單元之間為轉(zhuǎn)動連接，拱架單元通過卡接結(jié)構(gòu)進行拼接。卡接結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相鄰拱架單元之間的固定，無需人工再對拱架單元的連接端進行螺栓固定，提升了鋼拱架的安裝效率和質(zhì)量，減輕了操作人員的勞動強度。

折疊式鋼拱架如圖1所示。結(jié)構(gòu)包含不同尺寸的鋼拱架節(jié)段和接頭裝置，根據(jù)隧道斷面尺寸和施工方法，利用連接裝置將加工的鋼拱架節(jié)段進行洞外拼接，在隧道施工現(xiàn)場通過多功能作業(yè)臺車，可以實現(xiàn)隧道鋼拱架機械化安裝。

圖1 折疊式鋼拱架

1.2 折疊式鋼拱架接頭裝置

折疊式鋼拱架接頭裝置屬于卡接裝置，如圖2所示?？ń咏Y(jié)構(gòu)如圖3所示，包括設(shè)置在一個拱架節(jié)段上的錐型端頭和設(shè)置在另一個拱架節(jié)段上的彈性卡扣位。在彈性卡扣位內(nèi)部設(shè)有用于容納錐型端頭的空腔和彈性卡圈，彈性卡圈如圖4所示。將折疊式鋼拱架展開后，錐型端頭卡入彈性卡扣位中，即可將鋼拱架節(jié)段之間連接定位。

圖2 折疊式鋼拱架接頭裝置

1.3 折疊式鋼拱架參數(shù)設(shè)計

折疊式鋼拱架節(jié)段根據(jù)隧道斷面尺寸進行加工制作，節(jié)段之間用連接裝置進行連接。將連接裝置的鋼板和拱架節(jié)段進行焊接，焊縫應(yīng)飽滿。鉸鏈規(guī)格的選取、錐型端頭和彈性卡扣位的數(shù)量和規(guī)格根據(jù)受力計算確定。

圖3 卡接結(jié)構(gòu)

圖4 彈性卡圈

彈性卡扣位的空腔內(nèi)徑是錐形端頭直徑的1.05～1.1倍，彈性卡圈的內(nèi)徑是錐形端頭直徑的4/5～19/20，這樣既能保證錐形端頭通過彈性卡扣位空腔，又能保證彈性卡圈卡緊錐形端頭，使得折疊式鋼拱架結(jié)構(gòu)的連接裝置滿足構(gòu)造要求。

彈性卡扣位內(nèi)設(shè)有安裝彈性卡圈的環(huán)形槽，其規(guī)格為彈性卡圈的1.1～1.5倍，當錐型端頭穿過彈性卡圈時，可以為彈性卡圈提供膨脹空間。彈性卡圈上設(shè)有缺口，使其易實現(xiàn)膨脹變形和復(fù)原； 彈性卡圈由彈簧鋼制成，具有良好的彈性變形能力。

2 折疊式鋼拱架力學性能數(shù)值模擬

2.1 工程背景及模型參數(shù)的確定

新烏鞘嶺隧道進口位于天祝縣打柴溝鎮(zhèn)，出口位于安遠鎮(zhèn)，最大埋深952 m，全長17 125 m。裝配式鋼拱架安裝試驗位于新烏鞘嶺隧道進口段，該段采用長臺階法施工，上臺階高度為7.11 m，下臺階高度為3.05 m，臺階長度為35～50 m。隧道斷面尺寸如圖5所示。

依據(jù)新烏鞘嶺隧道進口段地質(zhì)勘探報告，進口段為Ⅴ級軟弱圍巖，采用我國現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》所推薦的破損階段法進行荷載計算，可得垂直圍巖壓力和水平圍巖壓力分別為259.2 kPa和103.7 kPa。模型參數(shù)如表1所示。

圖5 隧道斷面尺寸(單位： cm)

表1 模型參數(shù)

2.2 折疊式鋼拱架數(shù)值模型的建立

上臺階鋼拱架分為3段，鋼拱架連接裝置分別位于隧道中心線兩側(cè)45°。利用ABAQUS有限元軟件，采用荷載結(jié)構(gòu)法建模，分別給鋼拱架施加垂直和水平圍巖壓力。由于拱腳鎖腳錨桿的作用，鋼拱架兩端拱腳邊界約束條件設(shè)置為完全固定； 鋼拱架網(wǎng)格劃分選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元類型為C3D8R(8節(jié)點六面體線性減縮積分單元)。

為了提高數(shù)值模擬結(jié)果的合理性和可靠性，通過對計算模型進行合理的簡化，提高模型計算結(jié)果的可靠性。連接端頭鋼板之間的鉸接裝置賦予ABAQUS中的組合連接屬性HINGE來模擬，其由平移連接屬性JOIN和旋轉(zhuǎn)連接屬性REVOLUTE組合而成，2個連接點之間不允許發(fā)生相對平移，只能沿著一個方向發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)； 將彈簧卡扣對錐形端頭的約束作用進行綁定簡化，其符合連接裝置的作用機制。折疊式鋼拱架計算模型如圖6所示，鋼拱架接頭局部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

折疊式鋼拱架位移如圖8所示。由圖可知，折疊式鋼拱架在隧道圍巖壓力的作用下，鋼拱架位移呈現(xiàn)左右對稱狀態(tài)。拱頂處鋼拱架豎向位移達到最大值，至兩側(cè)逐漸減??； 拱架豎向位移為70.6 mm，未超出隧道拱頂沉降允許值。

圖6 折疊式鋼拱架計算模型

圖7 鋼拱架接頭局部結(jié)構(gòu)

圖8 折疊式鋼拱架位移(單位： mm)

折疊式鋼拱架主應(yīng)力如圖9所示，受拉為正，受壓為負。鋼拱架在圍巖壓力作用下，最大主應(yīng)力以受壓為主(見圖9(a))，最小主應(yīng)力以受拉為主(見圖9(b))，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在拱腳位置，因此，隧道鋼拱架架設(shè)時，要對拱腳位置進行補強，防止鋼拱架在拱腳位置破壞。折疊式鋼拱架最大壓應(yīng)力為51.5 MPa，最大拉應(yīng)力為34.8 MPa，根據(jù)第三強度理論，鋼拱架的最大切應(yīng)力為86.3 MPa，未達到允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

(a) 最大主應(yīng)力

(b) 最小主應(yīng)力

彈性錐頭主應(yīng)力如圖10所示，應(yīng)力集中部位主要在錐頭與定位鋼板連接處，彈性錐頭所受的最大拉應(yīng)力為166.0 MPa，最大壓應(yīng)力為52.8 MPa，均為超出彈性錘頭的屈服強度。由于彈性錐頭受力較為復(fù)雜，而強度理論就是關(guān)于建立空間復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的強度條件，所以根據(jù)第三強度理論可得，彈性錐頭的最大切應(yīng)力為218.8 MPa，未達到彈性錐頭抗剪強度250 MPa，接頭連接處是安全的。

(a) 最大主應(yīng)力

(b) 最小主應(yīng)力

3 立拱關(guān)鍵技術(shù)研究

首先，通過多功能作業(yè)臺車進行折疊式鋼拱架洞外拼裝試驗，結(jié)果表明其工作性能可以滿足隧道鋼拱架安裝機械化。折疊式鋼拱架拼裝試驗如圖11所示。

圖11 折疊式鋼拱架拼裝試驗

然后，在新烏鞘嶺隧道進口段上臺階進行折疊式鋼拱架洞內(nèi)安裝試驗，如圖12所示。

(a)

(b)

根據(jù)現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，立拱人員由原來的9人減少到3人(1名操作手+2名工人)，1榀拱架安裝用時由原來的1.5～2 h/榀降低至1 h/榀。施作過程中遇到的主要難點為多功能作業(yè)臺車拱架抓取頭靈活度不夠，抓取拱架耗時較長； 折疊式鋼拱架受空間限制，在掌子面不能順利撐開等問題。

最后，通過折疊式鋼拱架洞外和洞內(nèi)安裝試驗，總結(jié)了利用多功能臺車安裝過程中的技術(shù)要點：

1)安裝前清除兩側(cè)鋼架底腳下的虛渣及雜物，當拱腳(或拱墻)超挖，不能用土回填，應(yīng)采用混凝土墊塊進行調(diào)整； 并檢查開挖斷面凈空是否合格，合格后測定出路線中心，確定鋼拱架的高程和橫向位置，確保其不偏斜、扭曲，并位于同一鉛垂面。

2)根據(jù)測設(shè)位置，利用拱架安裝機將整榀鋼架一次性舉升提起，先安裝拱部中間節(jié)段，根據(jù)測量點并通過拱架安裝機的一個抓臂將拱架固定，然后分別通過另外2個抓臂將兩側(cè)的鋼拱架節(jié)段打開，利用鉸接板的連接裝置確保拱架連接牢固，并固定在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上。

3)鋼架架立完成后，利用拱架安裝機的鉆錨注一體設(shè)備施作鎖腳錨管，為加強鎖腳錨管的剛度，利用自帶注漿機在鎖腳錨管內(nèi)填充水泥砂漿； 當折疊式鋼架和初噴層之間有較大間隙時，環(huán)向應(yīng)每隔2 m用混凝土預(yù)制塊楔緊，且應(yīng)盡快進行噴混凝土作業(yè)，并將鋼架背后用噴射混凝土填充密實，使鋼架與噴混凝土形成共同受力結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

1)結(jié)合裝配式隧道及地下工程建造技術(shù)理念，設(shè)計了一種適用于機械化裝配的折疊式鋼拱架，并在新烏鞘嶺隧道進口段得到應(yīng)用。

2)通過數(shù)值模擬表明，折疊式鋼拱架在隧道圍巖壓力的作用下，拱頂處鋼拱架豎向位移最大，至兩側(cè)逐漸減小，且拱頂豎向位移為70.6 mm，未超過變形允許值。

3)根據(jù)第三強度理論，鋼拱架最大切應(yīng)力為86.3 MPa，未達到允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

4)總結(jié)了折疊式鋼拱架在隧道及地下工程裝配施工的技術(shù)要點。

5)尚存在難以解決的問題主要是多功能作業(yè)臺車立拱的靈活性，應(yīng)對其機械性能進行優(yōu)化，進而滿足拱架安裝的機械化。