隧道上台阶无人化立拱纵向连接替代方案

雷啸天 李德武 张国伟

兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070

我国现阶段隧道施工高度依赖人工，特别是开挖、初期支护施工等关键环节，初期支护形成前是隧道施工安全风险最高期。对于隧道拱架的纵向连接研究成果较少，在大量的拱架定量分析中，纵向连接往往采用等效替代的方式或者基于安全出发不考虑纵向连接筋在拱架承受围岩荷载时的贡献［1-4］。叶万军等［5］以庆阳土质隧道为依托，提出了一种增加横向工字钢支撑的拱架纵向连接筋形式。赵伟等［6］利用SAP2000建立了空间杆单元模型，分析了实腹式钢拱架与传统钢拱架的力学性能优劣。Gao等［7］以双向八车道大断面隧道工程为依托研究连拱效应，采用地层结构模型，建立三维拱架纵向连接模型，使拱架与连接筋共节点，并一起附着于围岩表面，从而分析受力。

目前对于钢拱架初期支护受力特性已有普遍共识，但针对拱架纵向连接机械化、无人化施工的定量分析尚不足。本文以新乌鞘岭隧道上台阶无人化立拱专项研究为依托，在已有隧道无人化立拱钻锚注一体化台车和新型钢拱架的基础上，定性地分析拟选的几种替代方案，并利用现场施工反馈与数值模拟对目标连接方式进行定量分析，最后经优化设计，提出一种适用于无人化立拱施工的钢拱架连接形式。

1 纵向连接钢筋与钢筋网的作用

纵向连接钢筋与两端的钢拱架焊接在一起，钢筋网一般为绑扎搭接，两者一起形成钢拱架之间的纵向连接，并与钢拱架组成空间钢骨架，使其成为一个整体，受力条件好，能增强拱架间的纵向刚度，减少拱架平面外失稳问题。钢骨架与混凝土一起组成具有一定柔性和韧性的初期支护。

2 拟选的钢拱架纵向连接替代方案

传统的钢拱架连接方式依靠在两榀钢拱架间的钢筋网及纵向连接筋为钢拱架提供联系，再喷射混凝土稳定围岩。这种施工方式不仅耗费人力、施工强度大，而且施工危险性高，十几名工人通过肩扛手推来拼接拱架［8］。虽然也有通过搭建工作台架来辅助进行施工作业的方式，一定程度上降低了施工强度，提升了施工效率，但没能从根本上解决问题，依旧存在很大的安全隐患。

基于隧道快速施工的要求，根据隧道断面的尺寸及施工场地的大小合理设计拱架的形式、新型拱架的分节形式和连接方式，保证拱架能够快速有效地安装，为围岩尽快提供较大的支护抗力，初步拟定了几种纵向连接替代方案。

2.1 铆钉式连接

采用铆钉式连接在施作下一榀钢拱架时是先固定顶部钢架，再固定两侧钢拱架，所以两侧的纵向连接钢筋只能靠钢架的旋转移动来连接。在没有固定拱部之前，钢架可以自由移动。铆钉式连接是靠拱架提供纵向推力连接纵向钢筋，此方法只能用于拱部。

铆钉式连接构件如图1所示。其构造较为简单，易于加工，造价低；对铆钉头有特殊的要求，且在拱部对接时需要一定的推力，故对纵向连接钢筋的强度、刚度有一定要求，板件尺寸的设定、铆头尺寸（铆头可做成伸缩性的）、开口大小及坡度需要进行严格的验算。连接成功后可约束板件处的所有自由度。施工时要求定位准确，并具有可施加推力的机械设备。

图1 铆钉式连接构件（单位：mm）

2.2 旋转连接

旋转连接过程与构造如图2和图3所示。

图2 旋转连接状态示意

图3 旋转连接装置（单位：mm）

旋转连接采用钢拱架旋转锁死装置，并将旋转装置用于纵向连接钢筋。一旦旋转装置旋转到指定位置就会锁死，此时纵向钢筋连接处的竖向自由度被约束，靠机械手相继旋转带孔洞的钢筋片和带有凸体的钢筋片，孔洞与凸体连接后则纵向连接钢筋所有的水平自由度都被约束。连接处的钢筋片构造简单，利于工厂制作，造价低且有一定的施工精度。

2.3 三角钢筋连接

以上两种连接替代方案的共同特点是对工厂的加工预制要求比较高，小构件的加工不能出现毫米级的误差，而且对现场架立钢拱架也要求十分苛刻。在施工过程中不可避免地会出现安装精度不高的情况，而且由于围岩变形的时间效应，拱架的位置会不可避免地出现误差，一旦有了误差，势必会给小构件的精密对口连接带来困难，从而增加无人化的校正工作量和毛洞临空面暴露的时间，不能实现工期的缩短。因此综合考虑比选后提出了一种三角钢筋连接方案。

三角钢筋连接的钢拱架由工厂加工预制，形成可折叠的分节钢拱架，一般由三或五节组成且对接后是与上台阶相匹配的圆弧。当隧道开挖至下一榀钢架时进行隧道出渣并将钢拱架运输至安装作业现场，多功能作业台车进场，机械手抬送钢拱架到指定位置，待上部与围岩接触且与上一榀钢架完成连接后，机械手再将两侧还未固定的钢架旋转抬升，直至分节处的锁扣闭合，纵向连接钢筋完成搭接。钢拱架两端开始施作锁脚锚管，至此，一榀上台阶钢拱架安装完成。可根据施工进度与围岩情况来决定每次安装上台阶钢拱架的数量。安装完上台阶钢拱架再开始喷射混凝土，进行中台阶或下台阶的开挖施工与钢架架立。

新型钢拱架折叠组合如图4所示，分节接头处细部构造如图5和图6所示。新型拱架分节处的连接为卡接结构［9］，包括在相邻拱架单元上设置的连接板、锥形端头和弹性卡扣。弹性卡扣包括连接板上的空腔和连接板内侧的弹性卡圈。利用开口式弹性卡圈被顶时的膨胀性，将折叠式钢拱架用机械手展开后，锥形端头将进入内径略大的弹性卡扣中，在锥形端头完全顶进后，弹性卡圈复原并卡紧在锥形端头的底部。

图4 新型钢拱架折叠组合

图5 锥型端头和弹性卡扣的连接

图6 弹性卡圈的结构

钢拱架加工时，传统的连接方式（图7。）不能实现上台阶无人化施工，需要工人进行绑扎搭接与焊接。改用三角钢筋（图8），其非顶角端预先在工厂与拱架焊接，利用台车架立钢拱架，使两榀拱架间的三角筋的顶角端分别与拱架顶压接触。这与掌子面土体出现向后挤出的施工状态相协调，且符合钢拱架安装时对精度要求不高的实际情况。

图7 传统钢拱架连接方式

图8 三角钢筋连接方式（单位：mm）

3 传统连接方式与替代方案数值模拟对比

3.1 钢拱架力学模型与荷载取值

由于研究对象是连接钢筋对钢拱架的连接作用，故建立钢拱架与纵向连接的细节模型，上台阶钢拱架施作完成后应在拱脚进行锁脚锚管的施工并与钢拱架进行焊接。因此上台阶钢拱架的两端约束可视为不发生位移的固定约束。分节处在旋转后会自动锁死，再将其分开需要很大的力。分节处满足钢拱架在围压下的强度与刚度要求［10］。整体上台阶钢拱架视为超静定的曲梁，采用荷载结构法进行受力分析。

依托工程为兰州—张掖三四线中川机场—武威段乌鞘岭隧道。该研究的目标隧道属于Ⅴ级深埋软弱围岩隧道，须采用主动荷载模式［11］。

围岩压力采用TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［12］所推荐的破损阶段法进行荷载计算［13］。

隧道结构垂直均布压力q为

式中：s为围岩级别；γ为围岩容重，kN/m3；ω为宽度影响系数。

式中：B为坑道的宽度；i为以B=5 m为基准，B每增减1 m时围岩的压力增减率，当B＜5 m时，i=0.2 m，当B＞5 m时，i=0.1 m。

水平均布压力e为

式中：k为比例系数，取0.3～0.5。

该隧道围岩应力垂直均布压力q取259.2 kPa，水平均布压力e取103.7 kPa。

3.2 有限元模型的建立

传统连接方式采用0.2 m×0.2 m间距ϕ8钢筋网及环相间距为1 m的ϕ22纵筋连接，为保证上台阶无人化立拱方式连接钢拱架的支护强度，每榀钢拱架间连接筋的用钢量与原连接方式保持一致，采用间距为0.3 m的ϕ18连接筋。为更好地分析钢架与钢架之间的受力性能，借助MIDAS GTS NX有限元软件，建立上台阶三榀钢拱架连接模型，如图9所示。

图9 钢拱架有限元模型

模型水平面内垂直隧道轴线方向（横向）为x轴，平行隧道轴线方向（纵向）为y轴，竖向为z轴。计算范围横向取13.70 m，纵向取2.0 m，竖向取4.95 m。新型拱架分节间的接头连接因其强度与刚度满足要求，且重在研究纵向连接筋的力学特性，故将新型拱架用梁单元模拟，纵向连接采用1D梁单元，混凝土衬砌采用3D实体单元，传统连接方式模型共3 003个节点和3 700个单元，无人化立拱连接方式共2 096个节点和2 908个单元。

3.3 边界条件及计算参数

钢拱架拱脚采用固定约束，混凝土衬砌前后边界采用水平约束。对于传统立拱连接方式，纵向连接筋与钢筋网以及纵向连接钢筋与钢拱架之间均采用共节点的刚性连接。无人化立拱连接方式中的后一榀三角钢筋与前一榀拱架连接处采用节点分离的建模方法。考虑到纵向连接钢筋与混凝土可以有相对位移，故采用界面单元耦合模拟两者的滑移与分离。

连接钢筋均采用Q235钢，衬砌采用C35混凝土。材料的物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

3.4 模拟结果及分析

对于传统连接方式和无人化立拱连接方式，计算得到两种连接方式下混凝土衬砌位移、钢骨架位移、拱架支座反力、拱架支座反力偶、拱架轴力、拱架剪力、拱架弯矩、连接钢筋最大主应力的分布。

3.4.1 衬砌位移分析

根据混凝土衬砌位移分布的模拟结果，传统连接方式下混凝土拱顶沉降为10.64～10.72 mm，水平位移为4.70～5.06 mm，无人化立拱连接方式下混凝土拱顶沉降为10.68～10.78 mm，水平位移为4.90～5.10 mm；在拱顶75°范围内发生以沉降为主的变形，拱脚范围内发生向外为主的变形，两种连接方式下的变形趋势一致，对应量值及其分布相差不大。这表明拱架采用一端三角钢筋提前焊接，一端在施工时顶在另一榀拱架上，待混凝土浇筑完成后仍可以保证一定的整体性。

根据钢拱架位移分布的模拟结果，无人化立拱连接方式下三角钢筋顶至前一榀拱架时，在相同位置钢筋节点与钢架节点将发生分离，第一榀拱顶处钢拱架总位移为10.77 mm，三角钢筋总位移为10.78 mm，第二榀拱顶处钢拱架总位移为10.70 mm，三角钢筋总位移为10.74 mm；差别的数量级均在0.01 mm级。骨架变形规律与混凝土衬砌变形规律具有一致性。

3.4.2 拱架支座约束分析

拱架拱脚处的稳定性是整个衬砌结构稳定的关键。根据三榀拱架支座约束的模拟结果，两种连接方式下所需的支座反力与支座反力偶方向一样。传统连接方式下第一、第三榀拱架支座反力为1 514.38 kN，支座反力偶为68.76 kN·m，第二榀拱架的支座反力为2 408.17 kN，支座反力偶为69.90 kN·m。无人化立拱连接方式下第一、第三榀拱架支座反力为1 491.87 kN，支座反力偶为65.38 kN·m，第二榀拱架支座反力为2 459.98 kN，支座反力偶为65.78 kN·m。施作相邻两榀拱架时，下一榀拱脚需要较大的约束力，采用无人化立拱连接方式时第二榀所需支座反力比第一榀提高了64.9%，传统连接方式第二榀所需支座反力比第一榀提高了59.0%，故采用无人化立拱连接时应更加注重拱脚处锁脚锚杆的施作质量，以确保钢架的稳定性。

3.4.3 拱架内力分析

根据拱架轴力分布的模拟结果，两种连接方式下拱架均处于受压状态，压力最大值集中在拱脚处。由于替代方案钢筋分布均匀化，使得相邻拱架的受力差异变小。传统连接方式下拱脚压力为930～1 190 kN，无人化立拱连接方式下拱脚压力为730～880 kN；从拱脚沿轴线向中部靠拢，压力大小发生骤变，两种连接方式均在10°范围内压力分布差异较大，其余位置的压力大小几乎相同。两种连接方式下的压力均为140～200 kN。

根据拱架剪力分布的模拟结果，传统连接方式下钢架剪力在拱脚处集中，无人化立拱连接下这一集中现象减弱，且存在过渡区段。对于传统连接方式，拱脚处剪力为180～215 kN，其余位置剪力为30～40 kN，中间没有过渡段，属于骤变。对于无人化立拱连接方式，拱脚处的剪力为160～170 kN，其余位置的剪力为5～25 kN，且具有过渡段，剪力不发生突变。

根据拱架弯矩分布的模拟结果，相邻拱架所承受的弯矩大致相同，两种连接方式下拱架弯曲变形特征一致，均在拱顶及拱脚处发生向隧道方向的弯曲，在拱肩及拱腰处发生向背离隧道方向的弯曲。两种连接方式下所受弯矩的大小相差不大，拱脚处弯矩的为30～70 kN·m，拱腰处的弯矩为1～5 kN·m，拱顶处的弯矩为1.8～8.8 kN·m。

3.4.4 连接钢筋应力分析

拱架之间连接钢筋的应力状态是反映替代方案可行性的直观指标。传统连接方式下，因为纵向连接钢筋与钢筋网直径存在差异，应力相差较大，连接纵筋的拱脚处最大主应力在30～105 MPa，属于最不利位置，除拱脚的其余位置应力在16.9～31.7 MPa；横向钢筋的应力小于10 MPa，纵向钢筋的应力为40 MPa左右。无人化立拱连接方式下连接钢筋的应力状态比传统连接方式更均匀，连接钢筋拱脚处应力在14.3～21.3 MPa，其余位置应力在1.0～2.0 MPa，拱顶局部出现应力集中现象，最大应力达79.8 MPa。

4 后期设计优化

新乌鞘岭隧道上台阶无人化立拱进行了三次试验。第一次为洞外试验，在中铁十五局兰张铁路项目部钢筋加工厂进行了多次铰接式连接脚板和锁脚锚管+套环的试验，受加工水平和工人第一次接触不够熟悉影响，出现了锚栓弹条卡顿、无法自由伸缩的问题。

在洞外进行了上台阶1∶1长度铰接式拱架立拱试验，按照上台阶尺寸，拱架共分三节，中间8 m，两边约6 m，主要演练铰接式拱架撑开动作、两拱架臂空中换手动作、钻锁脚锚管动作。

第二、第三次为洞内试验，主要解决的问题有拱架铰接板连接不牢、铰接后拱架自身重量使铰接头脱离、拱架抓取头灵活度不够、抓取拱架耗时较长、组合铰接式拱架展开后空间受限在掌子面无法撑开。将上台阶拱架形式设计为五节，拱顶拱架长7.3 m，拱腰5.7 m，拱脚1.6 m。立拱由两名操作手远离掌子面遥控操作。

该设计方案目前已投入隧道建设中。在施工实践中，拱部易出现挂灰困难，混凝土在三角钢筋中部的回弹量较大，造成了一定的施工困难，故在该设计的基础上再次进行优化设计，在每一侧的三角钢筋三分之一处设置一道横筋（即呈A形），增加中部的混凝土钢筋量，且喷射混凝土时可起到一定的挂灰效果。优化后的三角钢筋如图10所示。

图10 优化后的三角连接筋

优化设计后现场施工，立拱人员由原来的9人减少为3人，通过以机代人使工人劳动强度得以降低。与正常人工施工相比，一榀拱架安装用时由原来的每榀1.5～2.0 h降低至每榀1.0 h。按照平均每循环进尺两榀1.6 m考虑，则每循环节约时间1.5 h。对于长度为8 000 m的隧道则共计节约时间7 500 h，7个作业面中平均每个作业面节约45 d，考虑机械设备折旧、人员、电费等的投入，共节约近930万元。

5 结论

1）通过定性分析，认为铆钉式连接与旋转式连接立拱控制精度高，难以满足隧道施工现场实际情况，考虑到开挖掌子面后由时间效应引起的掌子面向后方挤出的特点，认为采用三角钢筋连接具有可行性。

2）传统连接方式和无人化立拱连接方式下衬砌变形及拱架弯曲变形特征几乎一致。施作相邻两榀拱架时，下一榀需要较大的约束力，无人化立拱连接方式下第二榀所需的支座反力比第一榀提高了64.9%，传统连接方式下第二榀所需的支座反力比第一榀提高了59.0%。

3）采用三角钢筋连接时，拱顶局部会出现应力集中现象，应力达到79.8 MPa，但整体上三角钢筋的应力状态较传统的连接筋更为均匀。

4）采用自主研发的新型钢拱架分节间卡扣连接的构造形式，根据新乌鞘岭隧道进口段断面尺寸最终将上台阶拱架形式设计为五节，拱顶拱架长7.3 m，拱腰5.7 m，拱脚1.6 m，将三角钢筋优化为A形钢筋。

5）纵向连接钢筋优化设计后，现场施工效率明显提高，且在经济效益上具有一定优势。