解说“隧道钢拱架支护”

引言

钢拱架是采用L、u、I字型钢和钢轨、钢管等型钢，加工成所需形状，用整榀安装或杆件拼装方式加固地下工程的支护措施。在隧道初期支护用以防治软弱围岩隧道过大变形。尤其是围岩条件差时，限于围岩本身因素和现场施工条件，常导致径向系统锚杆作用效果不明显，且增加隧道建设成本、延长工期，此时在初期支护中增设钢拱架，可以迅速提供足够的支护抗力，满足初期支护所需的主要刚度，快速控制围岩继续松弛和塑性区继续扩大；限制围岩的过度变形，保证隧道支护结构体系的稳定。

性能特点

(1)钢拱架的整体刚度较大，可以提供较大的早期支护刚度；型钢拱架较格栅钢架能更早承载。

(2)钢拱架可以很好地与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好。尤以格栅钢架结合最好。

(3)格栅钢架采用钢筋现场加工制作，技术难度和要求并不高；对隧道断面变化适应性好。

(4)钢拱架的安装架设方便。

内力计算

隧道初期支护中的钢拱架在隧道开挖之后主要承受支护后方的围岩压力，由于洞内工序的变化，钢拱架截面上应力分布必然很复杂。现场监测选择在工字钢两侧翼缘布置钢筋计，具体布置见图1。

通过现场量测，可得到工字钢两侧翼缘的应力σ_ｉN、σ_ｏｕｔ，然后，可认为工字钢横截面上应力分布在σ_ｉN、σ_ｏｕｔ之间按线性分布，并假定钢架处于弹性工作状态且不考虑工字钢腹板部位喷射混凝土受力，则根据材料力学相关理论可以计算出工字钢的内力，见公式（1）、（2）。

图1　钢筋计的布设示意图

(1)式中，σｉN、σｏｕｔ为钢拱架内、外翼缘实测应力值；N、M为钢拱架轴力和弯矩计算值；A和Ｉ分别为钢拱架横截面积和惯性矩；Ｗ为型钢简化截面抗弯模量。计算时，规定轴力受压为负，受拉为正；弯矩以底部受拉为正。

稳定性分级

当钢拱架翼缘应力状态安全系数λ判断安全级别高于内力准则判断级别时，可采用将内力判断级别提高一级作为安全判别状态；当翼缘应力状态安全系数λ判断安全级别低于内力判断级别时采取低安全判别状态。总之，从整个横断面分析考虑，应以最不利级别为本断面安全级别。

施工要点

(1)钢拱架垂直度允许误差为±2°。

(2)钢拱架的拱脚应稳定，一般有垫板、纵向托梁、锁脚锚杆等。

(3)钢拱架的安设应在开挖后的2h内完成。

(4)钢拱架应尽可能多地与锚杆露头及钢筋网焊接，以增强其联合支护效应。

(5)可缩性钢拱架的可缩性节点，待其收缩合拢后，再补喷射混凝土。

(6)喷射混凝土时，应注意将钢拱架与岩面之间的间隙喷射密实。

(7)喷射混凝土应分层分次喷射完成，初喷混凝土应尽早进行，复喷混凝土应在量测指导下进行。

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