漫谈矿山法隧道技术第四讲——钢架

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。     

初期支护组合形式有效性现场试验研究

初期支护组合形式的有效性一直存在较多争议。依托蒙华铁路在建隧道,针对初期支护不同组合形式有效性问题开展大量现场试验,量测内容包括拱顶沉降、水平收敛、系统锚杆轴力、喷射混凝土应力及钢架应力。通过对花岗岩、板岩、砂泥岩、黄土4种地层进行试验,分析具有代表性的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级花岗岩和Ⅴ级黄土试验段数据,研究深埋岩质和土质隧道初期支护中钢筋网喷射混凝土、钢架及系统锚杆不同组合形式的有效性。结果表明： 1）现阶段“网喷+钢架+系统锚杆”的初期支护组合形式未充分发挥其作用效果,有效性差,措施过于保守,存在很大优化空间; 2）在土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中,系统锚杆无明显作用,可以取消,而只采用“网喷+钢架”组合形式; 3）在深埋岩质隧道初期支护中,采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”2类组合形式之一即可。考虑到目前现场系统锚杆施作机具和施工质量,采用“网喷+钢架”的组合形式是合理和可行的。     

黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用

为了检验锚杆在黄土隧道中的作用,在某黄土隧道中设置有系统锚杆和无系统锚杆2个长为30 m的试验段,对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力进行监控量测。研究表明:2个试验段无论从变形还是受力上讲,同类数据均处于同一量级,说明系统锚杆对结构的稳定性作用不大;网络钢架、喷射混凝土、钢筋网共同组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构;取消系统锚杆,可以及时喷射混凝土,有利于围岩稳定,从而大大缩短工期;以Ⅳ级围岩为例,取消系统锚杆可降低工程造价10.6%。     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

软土地层中浅埋暗挖交通隧道施工技术软土地层中浅埋暗挖交通隧道施工技术

重点介绍了软土地层中浅埋暗挖交通隧道的主要施工技术和施工方法,包括：洞口段施工、大管棚（小导管）超前支护、开挖方法、格栅钢架和喷射混凝土初期支护、结构混凝土和防水等内容。并结合广东地区交通隧道工程施工实例,介绍了主要工序及技术参数。对类似工程施工和监理均有一定的参考作用。     

软土地层中浅埋暗挖交通隧道施工技术

重点介绍了软土地层中浅埋暗挖交通隧道的主要施工技术和施工方法,包括:洞口段施工、大管棚(小导管)超前支护、开挖方法、格栅钢架和喷射混凝土初期支护、结构混凝土和防水等内容.并结合广东地区交通隧道工程施工实例,介绍了主要工序及技术参数.对类似工程施工和监理均有一定的参考作用.     

隧道复合式衬砌初期支护技术研究与应用

文章以阮山一号隧道工程为例,对其围岩侧压力和初期支护参数进行了计算和分析,并从施工准备、隔板加工、喷射作业等环节对该工程的初期支护施工过程进行了探讨,最终达到了预期的施工效果。     

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

隧道工程中合理钢架支护型式选择

复合衬砌初期支护作为主要的承载结构,在许多情况下需要增强其初期支护能力,实践和理论证明,钢架支护是一种非常好的增强初期支护能力的结构,在越来越多的隧道工程中得到应用,合理选择钢架支护型式便尤为重要.通过对铁路隧道钢架支护标准图计算结果进行分析,供设计和施工技术人员参考,合理选择钢架支护型式.     

黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析

为了解浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况,对刘家坪2^#隧道洞口段围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉进行施工监测,并采用有限元法对隧道支护结构进行计算分析。结果表明：在浅埋偏压条件下,黄土隧道拱部发生了平面偏移,拱顶下沉量大于净空收敛量;围岩压力分布呈不对称猫耳状;钢拱架左侧轴力大于右侧轴力,总体受力很大,在支护体系中作用很明显;拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;纵向连接筋受力非常大,对隧道整体的稳定性很有利;应取消黄土隧道洞口段系统锚杆,采用由钢拱架、钢筋网、锁脚锚杆、喷射混凝土、纵向连接筋组合形成的初期支护结构。     

钢架岩墙组合支撑工法动态施工力学特性及其应用

京沪高速公路济南连接线浆水泉隧道全长3 101 m，最大开挖断面尺寸为19.5 m×13.1 m，是目前中国最长的双向八车道高速公路隧道。浆水泉隧道穿越地层主要以Ⅲ，Ⅳ级硬质灰岩为主，且施工工期紧，传统的双侧壁导坑法、CRD法等因施工工序繁琐，临时支撑多，施工效率低，无法满足工程工期需求。基于以上背景，提出钢架岩墙组合支撑分部施工工法，主要特点是中间岩墙和上台阶临时钢架组成临时支护体系，在减少临时支撑的同时，中部岩墙还能通行车辆，5个工作面可同时施工，从而实现快速施工；在此基础上，进一步运用数值计算与室内模型试验相结合的方法，对该工法的动态施工力学特性进行研究。结果表明：施工过程中，隧道上部围岩开挖的时间段是支护结构受力最不利时期，支护结构内力在此期间增长迅速，波动较大；中隔壁是支护结构中受力最不利处，其余部位结构受力对隧道施工反馈很小；影响拱顶沉降和仰拱隆起的主要因素是隧道上部围岩的开挖，影响拱脚处围岩水平收敛的主要因素是隧道下部围岩的开挖；支护结构承载和围岩变形均能够满足公路隧道施工安全需要；通过在浆水泉隧道中的实际运用表明该工法能有效提高施工效率，缩短施工工期，是一种可行的超大扁平断面隧道快速施工工法。     

蒙华重载铁路矿山法隧道设计与施工关键技术

为解决铁路隧道施工中存在的忽视围岩的承载主体地位、过分强调支护作用和过度使用支护手段等问题,进一步提高隧道建设技术和管理水平,蒙华铁路公司组织参建各方和科研院所采用科研先行、试验验证、专家论证的技术路线,综合运用模型试验、现场试验和数值模拟等方法对隧道初期支护优化和隧道限阻耗能型支护结构的研发等关键技术进行了研究,形成了适合蒙华铁路建设条件和地质条件的矿山法隧道初期支护体系:在试验表明不设系统锚杆也能满足隧道稳定性要求的前提下,蒙华铁路有钢架的Ⅳ,Ⅴ级围岩地段隧道取消了系统锚杆;隧道喷混凝土结构普遍为小偏心受压状态,格栅钢架代替型钢钢架能够保证隧道的安全,蒙华铁路矿山法隧道的初支钢架全部采用格栅钢架;经全线229座隧道推广应用,支护优化成果得到了充分验证。研发了钢板式限阻耗能型支护新结构,有效解决了老黄土地层和高地应力水平岩层隧道结构开裂破坏的难题,全线推广应用达7 km,取得了显著效益。通过以上矿山法隧道关键技术,实现了全线隧道按时贯通和“0”重伤及以上人身安全事故的总目标。     

白炭坞隧道坍方处理

介绍白炭坞隧道(右线)断层带坍方处理施工方法及实施效果。其主要处理措施为:退后进行坍体钢格栅加强支护,逐段清理坍体,坍方空间采用钢架支护及喷射混凝土,并施作护拱混凝土。     

浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

为验证重载铁路黄土隧道初期支护推广应用格栅钢架的可靠性,通过全环格栅钢架混凝土1∶1模型试验,现场初期支护变形收敛、围岩压力、格栅钢架和喷射混凝土力学性能测试,以及基于大数据的初期支护变形收敛数据统计分析等方法进行研究。研究结果表明:1)全环格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力,H180型格栅钢架混凝土结构在极限状态下可承载相当于32.56 m的黄土自重; 2)格栅钢架可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩大跨度黄土隧道,能保证围岩稳定及初期支护结构的安全; 3)大跨度黄土隧道初期支护采用格栅钢架,初期支护拱顶下沉及水平收敛值控制良好,总体在开挖预留变形量控制值内。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

地铁暗挖车站风道与车站主体交叉段及马头门处系统锚杆与钢架联体支护技术

以"青岛地铁一期工程(3号线)土建03标的延安三路站施工"为例,指出"风道进入车站主体的马头门和交叉段"部位设计要求的方法施工将造成工期拖延,并且个别支护措施在施工中不易实现而且在后续施工中存在安全隐患,通过对原设计中"风道进入车站主体的马头门和交叉段"施工方法的优化、提出了"系统锚杆与钢架联体支护"的新方法,并在现场实际施工中取得了成功;进而对"系统锚杆与钢架联体支护"的改进使用进行了阐述,为同类工程施工及隧道支护提出了一种新思路。     

某地铁区间隧道下穿悦来立交施工技术

某地铁区间为小间距隧道,下穿悦来立交,立交的桩基位于区间隧道的中间。通过理论分析、现场试验,采用减震爆破技术、隧道周边增设减震孔、两隧道中间岩柱打设对拉预应力锚杆、拱部施作超前小导管支护以及钢架、中空注浆锚杆、砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土等常规支护措施,辅以地质素描、超前探孔、施工监测等手段动态指导施工。通过以上措施,该区间隧道安全顺利通过下穿立交施工,对周围环境、道路行车没有造成不良影响,是类似工程可行的施工方法。     

超大跨度隧道上台阶CD法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究

为研究超大跨度隧道分部开挖法施工中隔壁结构的施工力学行为,以山东滨莱高速公路改扩建工程双向八车道乐疃隧道为依托,基于初期支护钢架与中隔壁钢架之间的内力传递、变形协调及拱脚变位,将支护体系等效为支座可移动的三次超静定无铰拱-梁固接结构,建立了上台阶先导初期支护钢架-中隔壁钢架共同承载变位力学计算模型,采用理论分析、现场测试和力学模型计算相结合的方法,对超大跨度隧道上台阶CD法施工时中隔壁的力学行为进行分析。研究结果表明:拱顶沉降和周边收敛主要经历急剧增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段,且各变形值均小于设计预留变形量150 mm;受施工工序和结构约束条件变化的影响,钢架内外侧应力整体呈现出先急剧变化后逐渐趋于稳定的规律,各测点应力小于型钢屈服强度235 MPa;力学模型计算结果和现场实测数据的平均相对误差为12.6%,且规律基本一致;钢架轴力在上台阶施工过程中始终为受压,且最大值均在钢架拱脚处,受后导开挖影响,中隔壁钢架轴力增大,初期支护钢架轴力减小;先导开挖时钢架弯矩大部分部位为正,拱顶部位为负,受后导开挖影响,中隔壁钢架正弯矩值及正弯矩区域减小,同时初期支护钢架正弯矩区域减小,钢架拱脚附近弯矩出现负值;钢架结构整体处于偏心受压状态,受后导开挖影响,中隔壁钢架和初期支护钢架小偏心受压区域均发生移动,且两者钢架小偏心受压长度占比增大。     

软弱岩层隧道取消拱部系统锚杆模拟研究

采用FLAC3D建立软弱围岩隧道模型,通过对比多种工况下的隧道支护效果,提出由超前支护和"钢架+钢筋网+两翼锚杆+喷射混凝土+锁脚锚杆+纵向连接筋"组成的初期支护形成联合支护结构。取消拱部范围系统锚杆,不仅未影响隧道围岩稳定,而且可以缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构,具有一定的经济效益和社会效益。