瓦斯隧道新型机械连接式钢拱架锚喷支护施工技术研究

摘  要：在复杂软弱围岩瓦斯隧道拱架安装施工中，动火作业存在较大的安全隐患，基于此，研发了钢拱架机械连接定位系统、钢筋网夹扣，从而形成了新型机械连接式钢拱架锚喷支护施工技术。其中上台阶施工10个循环和每循环安装2榀拱架，同常规动火作业相比，成本节约率达9%，每循环作业节约时间0.5小时左右，使隧道循环作业工效提升3.1%，经济效益显著，为类似工程提供参考。

关键词：软弱围岩;聚能爆破;瓦斯隧道;施工技术

中图分类号：U45      文献标识码：A

0 前言

钢拱架支护在支护体系中具有强度刚度大、稳定性好、安全可靠、施工便捷等优点，因而在隧道初期支护中使用的越来越多[1-2]，为了加快钢拱架安装速度研发了拱架安装台车等机械[3-4]，钢拱架安装质量直接影响拱架工作性能[5-7]，钢架安装通常采用焊接作业，当隧道穿越煤系地层、初期支护采用钢支撑时，动火作业存在较大风险。基于此，工程技术人员研发了一种新型钢拱架机械连接定位系统和钢筋网夹扣，避免在瓦斯隧道动火作业。

1 工程概况

峨汉高速公路2～5分部主线全长约6km，桥隧比为86%。全段共有14座桥梁和2座隧道。其中隧道分别为圆木沟隧道（左洞449m、右洞435m）和豹狸岗隧道（左洞3650m、右洞3603m），均为微瓦斯隧道。豹狸岗隧道受金口河挤压破碎带影响，围岩完整性较差。洞身主要为炭质板岩，岩体极破碎，炭质板岩千枚理严重，岩体在临空陡壁附近的自稳能力差，岩体中地下水发育，且含较多有机矿物质，地下水泉点处常有黄色沉淀（俗称流黄水）和铁锈色膜状物。隧道洞身段最大埋深689m，根据岩石强度，岩体结构，完整程度等将洞身段围岩划分为Ⅳ～Ⅴ级围岩。正常涌水量为16803m3/d，最大涌水量为25205m3/d。

以避让拱架安装过程中接触到的障碍物，具有很强的工程实用性。

2 技术原理

本工程瓦斯隧道施工过程中需要实现初期支护不动火作业，钢拱架、锚杆、连接钢筋的所有焊接、切割工作均在洞外加工厂完成，拱架加工时，在钢拱架上按纵向连接钢筋安装位置开孔和焊接套管，按定位锚杆、锁脚锚杆安装位置焊接套管。钢筋网片利用钢筋网夹扣和锚垫板及锚固螺母扣夹定位，钢筋网片之间采用20#～22#铁丝绑扎连接。钢拱架在洞内安装作业时，通过拱架上的钢套管作为导向管，钻造锚孔后，将定位锚杆、锁脚锚杆穿过套管和插入锚孔进行锚固，锚杆出露端用螺母、锚垫板压钢套管的方式锁定钢拱架;相邻两榀钢拱架之间采用L型钢筋纵向连接，连接钢筋的直螺纹端朝隧道掘进方向，穿入前方钢拱架的预留孔并用双螺母加垫片夹固，弯头端插入预焊在后方拱架上的钢套管，实现拱架的纵向锁定。采用上述机械连接方法固定钢筋网和连接锁定钢拱架，最后在拱架之间喷射砼形成初期支护整体结构。

3 技术特点

（1）钢筋网、夹扣和构成钢拱架机械连接定位系统的钢拱架及拱架定位套管、L型纵向连接钢筋、锚杆等组件均在洞外制作，洞内钢筋工程全部采用螺栓、插销、扣夹、绑扎等机械连接方式安装，避免瓦斯因火源引发爆炸或燃烧，极大程度上降低了瓦斯隧道施工安全风险。

（2）采用机械连接方式安装钢拱架、钢筋网会增加螺栓、套筒、夹扣等材料和加工工序，材料费用有所增加，但洞内拱架安装速度有所提升，总体缩短了隧道初期支护工序时间，综合施工成本得到降低。

（3）受人为因素影响，焊接安装钢拱架的间距、倾斜度控制随意性较大。机械式连接钢拱架采用了定制L形纵向钢筋，其可调范围较小，安装精度更高，较焊接安装更能有效控制钢拱架间的间距及倾斜度。

（4）采用在钢拱架上预焊套管，锚杆穿入套管并通过螺母、垫板锁定钢拱架的方式，可为锚杆钻造和安装导向，也有利于锚杆准确定向和钢拱架固定。

（5）采用L型钢筋实现钢拱架之间的纵向连接，上、下循环之间的拱架在连接时不受上循环已施作的初期支护混凝土影响;相邻拱架间的间距可在规范允许偏差值内适当调整。

4 工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

机械连接式钢拱架锚喷支護施工工艺流程如图1所示。

4.2操作要点

4.2.1 施工准备

（1）设计制作。

1）拱架结构设计制作。钢拱架按设计分单元节段制作，钢架组合安装图如图2所示。

如图3-a，拱架上按设计锚固位置及方向（锁脚锚杆套管在拱架两侧沿拱架法向斜下交角分别为15°、30°，定位锚杆套管沿拱架法向布置）焊接套管，为了确保凿岩钻机钻头、锚杆等能顺利穿过套管和实施导向钻造，锚固作业套管采用φ48×3mm钢管（图3-d）。套管嵌入钢拱架翼缘板12mm（图3-b、图3-c），并与拱架之间焊接牢固。

如图4所示，钢套管长度宜超出钢拱架型钢高度3mm，套管口在锚杆外露端与钢拱架平齐。

钢拱架连接纵向钢筋弯头处采取在拱架肋板上焊接定位套管，套管用φ32×2.5mm钢管制作，管长50mm;钢拱架连接纵向钢筋直螺纹处采取在拱架肋板上预割螺孔，孔长48mm，长孔两端采用14mm半圆形构造。钢拱架纵向连接结构设计见图5。

2）纵向连接钢筋设计制作。纵向连接钢筋结构设计如图6所示。钢拱架纵向连接钢筋采用L型钢筋，按设计拱架间距+143mm下料加工，钢筋一端进行L型预弯，预弯后直线段长度60mm;另一端采用车丝机车丝，丝杆长度设置150mm。

（2）钢筋网夹扣设计制作。

如图7所示，采用6.5#槽钢或用钢板加工制成钢筋网夹扣，钢筋网片利用钢筋网夹扣和锚垫板及锚固螺母扣夹定位。

（3）掌子面开挖后处理。

掌子面开挖应采用光面爆破，开挖出渣后安排专人排危，清除松散、破碎及易坍塌块体，保证施工安全。

4.2.2 初喷砼

喷射砼符合设计要求的强度等级，应采用湿喷方式，初喷砼在掌子面排危后立即进行，喷射砼厚度不小于4cm，尽早封闭岩体表层，防止围岩在空气中暴露过久出现风化剥落，危害工程安全。

4.2.3 测量放样

初喷砼完成，测量断面，放样系统锚杆、钢拱架位置。

4.2.4 系统锚杆施工

系统锚杆与围岩面正交，采用凿岩钻机钻孔，造孔至设计深度后用高压风清除孔内岩屑，然后安装锚杆、垫板和螺母，锚垫板应紧贴喷射砼表面。

4.2.5 钢筋网片安装

钢筋网片在洞外焊接成型，洞内安装，网片尺寸根据相邻系统锚杆之间的间距确定，相邻网片之间的搭接长度不小于30倍钢筋直径且不小于一个网格长边尺寸。

根据岩面的实际起伏状铺设钢筋网，钢筋网与被支护岩面保持约3cm的间隙，利用锚杆出露端安装夹扣和螺母并将夹扣压在锚垫板上。通过夹扣和锚杆紧固螺母固定钢筋网片，网片之间用20#～22#铁丝绑扎连接。

4.2.6 钢拱架拼装

钢拱架按单元分节段制作，拼装成整体后安装，节段之间采用螺栓连接。

4.2.7 钢拱架及定位锚杆、锁脚锚杆安装

钢拱架宜用拱架安装台车安装，就位后先安装定位锚杆。将凿岩钻机钻杆穿入拱架上预焊的钢套管内，抵紧围岩钻孔，成孔用高压风清孔，安装好锚杆，在露出钢套管的锚杆端安装锚垫板并用螺母紧固。

钢拱架锁脚处采取和定位锚杆相同的方式钻造、安装锁脚锚杆。

4.2.8 安装纵向连接钢筋

将L型纵向连接钢筋的直螺纹端套入1套螺母、垫圈，并将螺母退至螺纹另一端，按照直螺纹端朝掌子面方向、弯头端朝定位套管方向，将连接钢筋斜举入两榀钢拱架之间，先将直螺纹段插入预留孔，再将弯头插入定位套管。然后将已安装螺母旋至抵紧钢拱架肋板，再套入垫圈、螺母夹固工字钢。

4.2.9 施作超前支护

钢拱架形成整体后，按照设计要求施作超前锚杆或超前注浆小导管支护。

4.2.10 复喷砼

喷射砼符合设计要求的强度等级，复喷砼应采用湿喷方式，在前述工序全部完成后施作，可采取分层喷射方式防止喷射砼积厚掉落，但后一层喷射砼应在前一层砼终凝前进行，直至将砼完全填满钢拱架之间结束。

5 效益分析

通过现场实践对比分析，采用新型机械连接钢拱架作业方案较之动火（焊接）作业方案安装钢拱架速度快，每循环作业节约时间0.5小时左右，使隧道循环作业工效提升3.1%。采用机械连接钢拱架作业方案，成本节约率达9%，每循环作业节约时间0.5小时左右，隧道循环作业工效提升3.1%。

6 结论

在目前山区瓦斯隧道施工中采用新型机械连接式钢拱架锚喷支护施工技术，钢拱架、锚杆、连接钢筋的所有焊接、切割工作均在洞外加工厂完成，洞内可完全使用不动火作业，降低了安全风险;定制的L形纵向钢筋、预焊钢套管等大大提高钢拱架安装精度，与传统洞内焊接安装相比，具有较好的技术优势;较之动火（焊接）作业方案，新型机械连接钢拱架作业方案在半成品加工费及连接附件费用上虽有增加，但在工序时间上有所节约，进而实现综合成本节约，经济效益显著，值得推广。

参考文献

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[7]武永德.隧道钢拱架连接板拼装精度技术及应用[J].科技与创新，2019（8）：158-159.

收稿日期：2021-08-06

作者简介：熊朝家（1967—），男，重庆人，本科，高级工程师，从事工程项目管理、安全环水保管理、质量进度管理工作。