浅谈隧道钢拱架连接的施工
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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。
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