格栅钢架与型钢拱架在隧洞支护中的比较与应用.pdf

格栅钢架与型钢拱架在隧洞支护中的比较与应用.pdf

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32四川水利20O7No1格栅钢架与型钢拱架在隧洞支护中的比较与应用王任国。

张立勇。

刘侠。

卓丽（四川大学水电学院，成都，610065）【摘要】隧洞临时支护措施的制定，需要从技术可行、经济合理、施工安全便捷等方面综合考虑。

本文从技术、经济、安全等方面对型钢拱架和格栅钢架进行了比较，特别强调了格栅钢架在经济、施工速度及安全效果方面的优越性，并通过工程实例说明应怎样合理使用两种拱架。

【关键词】特殊支护型钢拱架格栅钢架在地下洞室工程中，在不稳定地层的开挖爆破之后，为了防止掉石、坍塌，确保施工安全，需要采取临时支护。

其中针对特殊地质条件洞段普遍采用型钢拱架和格栅钢架。

这两种支护方式孰优孰劣?

当然要针对不同的情况而定。

但实际施工中为了保证安全，相关各方往往保守地选择刚度较大的型钢拱架。

任何支护措施的制定都需要从技术可行、经济合理、施工便捷等方面综合考虑，不能只简单地考虑一方面。

特别是在隧洞洞线长、地质条件差的情况下，特殊支护在总工程的投资和进度控制上都有较大影响，所以选择合理的特殊支护方式尤为重要。

以下从几个方面对两种拱架进行比较。

1型钢拱架和格栅钢架比较11制作与安装。

施工时，型钢拱架通常是用I14I20型工字钢在重型机械（如装载机）的配合下弯制成拱形。

格栅钢架一般为四弦杆式，四根主杆用614ramd22mm型螺纹筋在操作台上人工弯制成拱形，主杆间设斜杆，组合焊接成格栅形式，断面规格14era20em不等。

两者每榀都分为两边拱和顶拱三部分，接头都采用钢板、螺栓连接。

安装时将洞室顶部的锚杆作为吊点，用滑轮吊装，拼装成拱。

型钢拱架一般需要机械手配合才能到位，而格栅钢架质量相对较轻，仅需人工就能完成，显得更轻便。

前后两榀拱架间均采用型钢和钢筋连接，提高拱架联合受力的整体刚度。

两种钢拱架架立后，都要求及时进行喷混凝土覆盖。

一是为了能使混凝土和拱架联合受力，提高支护强度，封闭围岩，防止不稳定岩体掉块；二是为了包裹钢筋，使其不受地下潮湿环境侵蚀。

喷混凝土厚度要求将拱架完全覆盖并具有5eralOom的保护层。

施工中特别注意不能在拱架与围岩间的空隙填垫碎石，否则喷混凝土不能填充满石头间的空隙，降低支护强度。

拱架和围岩间的较大空隙可采用浇筑混凝土或喷混凝土填平，15m以上的空隙可以考虑在主拱上方设附拱。

12成本节省。

格栅钢架在经济方面远远优于型钢拱架，以开挖半径为5m的半圆形洞室为例，所用材料分别为工字钢I20ram和螺纹钢18mm，拱架和横向支撑的排间距都按lm计，不考虑喷锚网。

由此得到两种拱架的成本如表1所示。

模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能。

在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分。

如含粘结剂的液芯纤维或胶囊，在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时，该系统自动分泌出部分液芯纤维迅速修补裂缝，从而保证其使用功能。

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/20o7No1四川水利33表1每榀米拱架的成本估算单位：

元综上所述，格栅钢架每榀米成本仅为型钢拱架的28，每榀米成本节省154元。

首先，是材料的节省，格栅钢架的材料成本仅仅为型钢拱架的26。

这是因为单位长度钢筋的重量显然比型钢轻很多，后者在接头处还要求采用附件如夹板、钢楔等，增加了材料用量。

其次，是人工和机械使用费用大大减少。

工字钢的藿量大、硬度大，制作时需要机械配合，安装时由于洞内场地狭小，造成施工不便，很费人力、物力、时间，增加了投入。

相比较而言，格栅钢架轻便，可以人工制作，在洞内仅使用简单的辅助设备即可安装到位。

所以，这里每榀米格栅钢架的人工和机械使用费比型钢拱架节省了65。

13施工速度。

在表1中，格栅钢架安装4榀的时间大约仅相当于安装型钢拱架l榀的时间。

后者在施工速度上的缓慢，一方面势必影响工程进度，另一方面也给开挖支护安全带来不利影响。

首先，当隧洞工程量大、地质条件差的时候，特殊洞段的处理快慢对隧洞总工期的影响是很关键的。

停工一、两个月甚至更长时间进行特殊洞段处理的事件屡见不鲜。

如果采用格栅钢架，则能节约更多时间。

其次，“新奥法”原理要求对暴露的围岩及时支护，长时间暴露会使围岩产生有害变形，所以要求在对洞周进行初喷混凝土和架设钢筋网后要尽早进行刚性支护，使刚性支护和柔性支护共同作用，防止围岩失稳，而型钢拱架在施工速度上的缓慢可能错失“及时支护”的最佳时机。

最后，型钢拱架使施工人员在危险洞段呆的时间更长，对人员、设备安全多一份威胁。

14安全效果。

如果从材料特性上考虑支护的安全性，格栅钢架具有相对柔性，刚度适中，容许围岩适度变形的能力优于型钢拱架，能及时提供支护阻力，适用于岩层比较破碎、不稳定的地层。

型钢拱架采用工字钢材料，其抵抗山岩压力的能力大于以螺纹筋为材料的格栅钢架，适用于岩层十分破碎、非常不稳定的地层。

但在实际工程中，采用了型钢拱架支护仍然发生拱架变形、围岩坍塌的事故也不少。

分析其原因，一方面，由于地下工程的不可预测性，地应力的大小很难准确测定。

如果地应力较大，而只是采用重型型钢拱架支护而不注重随后的喷锚和观测的话，型钢拱架的支护效果减弱，也很可能造成岩周变形，甚至坍塌。

所以在制定临时支护方案时，应该考虑到不管是型钢拱架还是格栅钢架，刚性支撑固然重要，但其仅起骨架作用，而更重要的，也是最容易被忽视的是随之跟进的喷混凝土或混凝土浇筑，以及施工期围岩观察观测。

另一方面，如图1所示，钢拱架的初始刚度较大，在A点就达到极限平衡状态，不仅不利于发挥围岩的自承能力，反而增加了支护结构的负担；相反，格栅钢架具有较强的适应变形的能力，使围岩应力得到了部分释放。

盟、lIJ一径向位移u豳1拱架支护特性曲线示意圈2格栅钢架在福堂水电站的应用和评价位于岷江干流上游的福堂水电站，装机360MW，其工程重点是引水隧洞。

它的开挖断面面积近100m，洞线长19319m，分成十个标段，是迄今为止我国最长的引水隧洞，具有洞线长、工程量大、地质条件差、工期紧张的特点。

按照水利水电地下工程围岩地质分类法，整个隧洞工程中、类围岩为7855m，占全长的41，其中特殊支护洞段303m；1V、V类围岩为l1495m，占全长的59，其中特殊支护洞段5867m。

特殊支护洞段总共6170m，占全长的32，支护中部分采用了维普资讯http:

/34。

王任国，张立勇，刘侠，卓丽：

格橱钢架与型钢拱架在隧洞支扩中的比较与应用2007No1格栅钢架，取得了较好的经济效果和工程效果。

各标段使用型钢拱架和格栅钢架的情况如表2所示。

表2各标段特殊支护情况统计5群2085237413357591836014014456786注：

投资额中包括拱架和喷锚网以及其他特殊支护措施。

从表2中看出，格栅钢架的用量为2261t。

若按表1给出的格栅钢架每榀米的重量191Okg、成本比型钢拱架节省154元计算，该电站中使用格栅钢架节省资金大约为1823万元。

从工程效果上看，没有出现因采用格栅钢架支护而发生围岩进一步明显变形或坍塌的情况，说明格栅钢架的支护效果是好的。

格栅钢架还节省了时间，一定程度上缓解了隧洞工期紧张带来的压力。

从表2中也可看出，该电站虽然部分采用了格栅钢架，但除了5标段外其他标段大部分采用的还是型钢拱架。

这是在以后的工程中值得改进的地方。

值得一提的是5标段，全长2338m，总的地质情况是十个标段中最差的，岩石破碎、地下水发育，全部为、V类围岩，需要采用特殊支护，施工中采用格栅钢架，不仅节省了投资，而且没有出现不安全事故。

这些成果的取得，源于施工各方在开挖中坚持认真做到认识围岩、保护围岩、支护围岩和监测围岩四个环节的工作，尽力体现“新奥法”思想。

我们认为，无论何种围岩最及时的初期支护措施之一是锚喷混凝土，经验与实践证明这种措施是最有成效和最经济的，对、类围岩基本为一次性的安全支护，而对、V类围岩必要时视岩性特征由业主、设计、监理、施工四方共同决定，“适时”跟进型钢拱架或格栅钢架等补强支护措施。

在对型钢拱架和格栅钢架的选择上，主要遵循以下两个原则：

（1）合理安全度。

这里安全度指支护结构可承受的最大压力与该段围岩可能产生的山岩压力的比值。

“合理安全度”即不一味地、盲目地靠增加投人，采取重型支护手段来提高临时支护的安全度，而是在充分进行地质分析的基础上，在保证安全的前提下采取最节约投资的支护措施，在投资和安全度上寻找平衡点。

（2）柔性支护和刚性支护共同作用。

一方面充分利用格栅钢架的柔性，另一方面无论采取哪种拱架，必须认识到刚性支撑仅是起着骨架作用，更应该重视的是随之加固的喷混凝土或混凝土浇筑。

喷锚网和拱架体系形成柔性支护和刚性支护共同作用、联合受力，形成整体结构，起到防止失稳的良好作用。

3结语虽然在一定条件下格栅钢架比型钢拱架具有很多好处，但在施工中也特别需要注意以下常见的问题：

（1）制作和安装过程中焊接必须饱满；

（2）施工中拱架两侧的固定锚杆必须按要求设置，锚杆要和拱架牢固焊接；隧洞顶部的拱架注意保持拱形，防止架立拱架时随岩面起伏而弯曲，破坏拱架的受力特性；（3）支护完成后要勤观察、监测围岩，掌握围岩变形的动态资料，特别是不良地质洞段和地质条件尚不很清楚以及临时支护已存在隐患的地段，一旦发现有不利变形，要迅速采取进一步的重型支护。

总之，格栅钢筋拱架与型钢拱架相比具有施工便捷、投资节省的优势，提倡在可能的情况下优先使用格栅钢筋拱架。

参考文献1杨其新，关宝树轻型格橱支护与围岩共同作用的力学性能试验研究地下空间，1996

（1）2何川，麦稠曾，关宝树地下工程格橱支撑模型的试验研究西南交通大学学报，1998

（2）维普资讯http:

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