浅谈隧道钢拱架连接的施工

浅谈隧道钢拱架连接的施工
摘要：在我国道路交通建设规模不断扩大、速度不断提升的背景下，隧道工程
已经成为其中一项十分重要的施工环节。

由于隧道施工的岩层性质特殊复杂，需
要利用钢拱架对隧道进行支护，确保其稳定性。

但是在实际施工中工字钢连接往
往是拱架施工的一个薄弱环节，主要原因是加工不规范、运输变形和现场技术管
理人员不够重视，从而产生一些初期支护变形、开裂等不可控的现象，增加了隧
道施工风险。

在此浅谈隧道钢拱架连接的施工并提出几点建议。

关键词：隧道；钢拱架连接；施工
连接钢拱架的意义在于可以实现钢拱架自身长度的减小，在提升支护效果的同时，也比
较便于施工。

通过连接钢拱架，能够使其成为一个整体，使作用于一个钢拱架之上的载荷实
现转移，不仅可以降低单个钢拱架承受的载荷，而且可以有效利用闲置钢架，实现资源利用
最大化。

不仅如此，连接钢拱架也能对其实现侧向约束，如果连接程度足够，甚至可以将其
视作铰支座，可以有效减小受弯梁自身跨度，在提升抗屈曲临界载荷的同时强化其承载性能，是一种优良的首选支护方案。

一、钢拱架连接
钢拱架的连接方式分为两种：一种是根据设计采用螺栓连接；另一种是从施工机械和材
料节约方面考虑采用对接。

第一，单元螺栓连接。

螺栓连接主要产生的弊病有：螺帽未拧紧、少螺帽；连接板眼对不上；工人施工随意，检查不到位；下部开挖机械碰撞使上部拱脚变形
等等。

第二，拱架对接。

标准工字钢长度是 9 米一根，加工机械在短于1.45米时就不能加工
弧度，在一根工字钢加工一个或二个单元后就会产生剩余料，在加工中为了更好的利用材料，根据单元下料后不可避免的需接长工字钢。

这样就产生了连接问题，连接后还需要过机械加
工弧度，在施工中就采用对接，成为了一个连接薄弱环节，这样最好的方法是在对接的基础
上加钢板帮焊补强。

增加工字钢的连接刚度。

二、钢拱架初期支护变形开裂的主要原因分析
钢拱架在初期支护的时候，常出现如下病害现象：一是上下断面开挖连接板位置变形情况；二是初期支护喷射混凝土环向开裂。

之所以会出现这些现象，主要原因在于：钢拱架在
隧道施工中是很重要的环节，从设计理论出发，初期支护在我们隧道施工中承担70%的承载力，而钢拱架是初期支护中主要的受力结构。

但是无论多大的钢拱架，连接部位始终是受力
的薄弱环节，从而影响了拱架的整个受力情况，在围岩地层不良地段发生问题就成为了必然
情况。

三、隧道钢拱架支护稳定性的判断
在支护初期，钢拱架主要承受围岩压力。

随着隧道施工不断进行，隧道内部的岩层结构
及受力会出现一定变化，进而导致钢拱架的受力更加复杂。

由于钢拱架内力的变化能够反映
出施工特征，因此，需要通过实时监测对钢拱架的应力及受弯情况作出判断。

通常情况下，
判断钢拱架的稳定性可以利用两种方法进行:其一是通过钢拱架翼缘应力安全系数对稳定性作
出判断，其二是以钢拱架的内力状态对其稳定安全性作出判断。

在这两种判断方法下，可以
得出两个基本的依据准则。

第一是应力判断，根据钢拱架翼缘应力系数能够对安全性作出三个等级的划分:应力安全
系数小于1.5时，表明钢拱架状态不安全；在应力安全系数在1.5～2.0之间时，钢拱架状态
为欠安全；在应力安全系数超过2.0之后，则表明钢拱架的状态为安全。

而应力安全系数λ
的计算方法为λ=fult/σi，式中，fult为钢材强度极限，σi为钢拱架翼缘应力。

第二是内力判断，内力判断和应力判断存在相似之处，也可以分为三个安全等级:内力较小，内力的合力作用于截面之上，而且隧道内侧存在较大受压，这种情况就是安全状态；内
力的合力作用于截面上，但是存在正弯矩和轴压力，或者内力合力作用于截面外，但是存在
正弯矩和轴压力，这两种情况都是欠安全的状态；钢拱架受力不合理，弯矩或侧压较大时，
钢拱架就属于非安全状态，也就是预警状态，需要施工单位及时进行处理。

四、加强钢拱架连接的几点建议
第一，加强拱架加工技术要求，拱架加工必须按1：1大样验收后再安装。

拱架安装前先
要按大样图进行试拼装，同一个批次的拱架可对其中几榀进行试拼装，同时在加工一定数量
的拱架后需要重新进行一次试拼装，这样可以在加工时不断调整提高拱架加工技术工人的业
务水平，加工技术工人在试拼装中不断总结加工技术经验。

第二，缩短拱架加工厂与隧道口
的距离，这样可以避免拱架在运输过程中的变形。

第三，加强拱架连接板焊接技术要求，现
场技术员和检验人员应加强施工质量与安全管理。

第四，拱架架立时采用多点控制，每一个
连接单元都要有控制拱架净空的点位。

第五，工字钢架立完成后所有螺栓螺帽焊接牢固。

第六，加强拱架施工技术交底，技术交底内容应从拱架加工及安装两个方面展开。

五、钢拱架加工的连接板技术特点及原理
连接板定位快速且精准，定位器制作简易、成本低。

一种型号的定位器对应一种连接板，避免了不熟练工人用错连接板的情况，提高拱架加工质量。

焊接连接板的同时检验了连接板
的孔距尺寸。

预先加工拱架连接板定位器，将连接板定位器置放在弯制好的拱架半成品上，将按设计
要求钻好孔的连接板与固定在定位器上的螺栓套接，在预留的点焊位置将连接板与拱架半成
品点焊定位，取下定位器，按设计要求将连接板与拱架半成品焊接稳固，进入下一施工循环。

（一）连接板定位器制作要点
根据不同规格型号工字钢腿宽确定定位器内宽，使用10mm厚的钢板及63×40×5角钢焊
接成型。

定位器内宽比不同规格型号工字钢腿宽1mm，便于定位器装卸于工字钢上。

根据不同型号的拱架，按照设计上连接板的尺寸大小及开孔位置、孔径，用尺子在钢板上量取确定
钻孔中心点，用粉笔画出钻孔中心点，在钢板上钻孔，按不同型钢型号的设计要求，然后安
装螺栓。

对孔位进行检验，检验合格后，进行打磨修整，安装把手。

对孔位尺寸、质量进行
检验，合格后，进行打磨修整，安装把手。

（二）拱架半成品弯制
加工时，将一端与弯曲模具的一端对齐，缓缓进行弯曲，弯曲后测量工字钢的水平度及
弧度，如发现工字钢弯曲超标，及时纠偏，直到弯曲至所要求的弧度。

（三）拱架半成品与定位器定位
将已加工好的定位器放人已加工好的弯制钢架上。

（四）定位器与连接板定位
将连接板上已钻好的孔装到定位器上。

将连接板与钢架焊接牢固。

将连接板与弯制件焊
接牢固后，用角钢与连接板、弯制件焊接。

（五）型钢拱架的检测
拱架各单元加工完成试拼合格后，由技术员检测拱架弧长，弦长，连接孔位能顺畅对上。

检验合格后贴上合格标签，进行分类存放。

（六）焊接质量控制
钢架与连接板处用角钢焊接，焊缝宽度hf、高度要求为10mm，焊条要求为J422。

焊缝
要求满焊，钢架加工的焊接无假焊，焊缝表面无裂纹、无焊瘤等。

（七）现场施工要点
定位前先将拱架半成品与连接板连接部位整修平整。

用两侧的螺栓将定位器固定在弯制
好的拱架上，连接板与定位器上的螺栓套接好后，点焊定位，保证连接板的稳定。

点焊定位后，取出定位器，按设计要求将连接板焊接稳固。

总之，隧道施工是一个复杂的工程，发生问题的原因是多方面的：气候、水文、地质、
施工水平、管理水平等等。

拱架连接是隧道施工中的重要环节，施工中需从原材料加工控制、施工技术交底、运输管理、现场安全质量管理等多方面抓起，共同确保隧道施工安全。

参考文献：
[1]颜治国,戴俊.隧道钢拱架支护的失稳破坏分析与对策[J].西安科技大学学报,2012,03.
[2]陈峰宾.隧道初期支护与软弱围岩作用机理及应用[D].北京交通大学,2012.
[3]陈丽俊,张运良,马震岳,白少国.软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载分析[J].岩石力学与工程
学报,2015,01.
[4]曲直.采古隧道型钢拱架支护作用研究[D].长安大学,2013.。