格栅与钢支撑的施工工艺.doc

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1、格栅与钢支撑的施工工艺 钢拱架系采用L、U、I型钢和旧钢轨等，加工成所需要的形状，用拼装方法使用于地下工程的一种刚性较大的支护结构。而格栅是由钢拱架支撑发展而来，它是由钢筋焊接而成的构架，是隧道及地下工程中有发展前景的支撑形式，格栅喷混凝土支护的应用也越来越广泛。成为在软弱地层中重要的支护手段之一。格栅与钢支撑，我们都归为构件支撑一类，但两者的力学作用是完全不同的。前者，只有与喷混凝土并用，才能发挥其支护作用。而且不能立即发挥承载作用，而后者可以立即地、独立地发挥承载作用。因此，需要采用钢支撑的，决不能用格栅代替。两者的比较列于表1。表1 钢支撑与格栅的比较支撑形式优点缺点钢支撑架设后能够立即

2、承载，充分发挥其力学作用；加工比较容易，但需要较大的加工设备；安装及构件连接，比较简洁、方便背后的混凝土不易填充密实，留有空隙；重量大，架设安装困难；钢支撑的变形与混凝土变形不协调，混凝土易开裂；格栅架设后不能立即承载，必须与喷混凝土配合，才能发挥其力学作用；加工容易，且不需要大型加工设备重量小，易于架设安装；因具有一定的柔性，能够适应围岩的变形喷混凝土完全包裹格栅，整体性好，背后不易留下空隙；架设后不能立即承载，一次支护作用小；在围岩变形大的场合，不能有效地控制围岩的变形1格栅1）格栅的构造格栅是由普通建筑用钢筋(多采用16Mn钢)经冷弯成形后焊接而成，其形状可根据使用要求和坑道轮廓而定。图

3、1是格栅最基本的、常用的形式。有圆形、半圆形、马蹄形、门形等，可根据坑道轮廓进行设计。从格栅的断面形式看，有图2的各种形式，如三边形、四边形等。一些隧道采用的格栅例见图3。 图1格栅的形状图 2格栅的断面形式图3格栅应用例 格栅断面目前采用较多的是由三根或四根主筋组成的两种形式(图4)。其中4根主筋的形式，采用最多。四主筋型的每根钢筋相同，在等高情况下，其抗弯和抗扭惯性矩大于三主筋型故多用于软岩、土砂地层的双线隧道。三主筋型是由上面双筋和下面单筋组成，上主筋面积尽量与下主筋总面积相等，多用于单线隧道。 主筋直径不宜小于22mm，并宜采用20MnSi或A3钢筋。 格栅的断面高度应根据承载条件和喷

4、射混凝土厚度确定，一般为160200mm。格栅的主筋和联系钢筋的连接方式较多，主要采用图5.18形式，联系钢筋直径不宜小于10mm。 格栅接头形式有：螺栓连接板接头。连接板焊于主筋上。通过螺栓将两段钢架连接板紧密地连在一起。套管螺栓接头（图5）。套管螺栓直接套在主筋上，将两段钢架连接在一起。 图图4 格栅断面形式 图5接头的各种形式格栅段长、节间距在满足隧道分部开挖、便于安装的要求时，宜加大格栅架分段长度，以减少接头。拱部格栅段长宜为23m。为了保证主筋和加强筋的局部稳定，满足施工工艺要求，节间距不宜过长。一般可取两倍格栅高度格栅与钢支撑一样，也是分段加工的，在架设时再组装成形。格栅支护的接头

5、是整个结构的薄弱环节，必须加强。图5是一些接头的基本形式。为增强格栅钢架的整体性，在各格栅间应设置纵向连接构件。 格栅在国内外地下工程中的使用情况表明：格栅不但具有传统钢支撑的功能，还克服了传统钢支撑的许多缺陷，显示出传统钢支撑所不具有的优越性，其具体特点如下。 1)格栅的刚度适中，容许围岩适度变形，又能及时提供支护阻力，限制围岩过大的变形，以防止崩塌。 格栅的刚度在施工过程中是变化的。在安装一次，没有喷射混凝土前，基本上是不能承载的，钢架是柔性的；当喷射一定厚度的混凝土后格栅钢架与喷混凝土一起承受荷载，并提供一定的支护阻力；当混凝土喷射到设计厚度时，刚性增大，提供的支护阻力也随之增大。因此格

6、栅的支护阻力是随施工过程而一步一步地提供的。这是钢支撑所不能比拟的。 2)节约工程造价。因为格栅是由普通钢筋加工而成，材料来源广泛、加工工艺简单、不会因切割、弯曲、焊接加工等工艺流程而使成品价格增加。更为重要的是，使用格栅比使用钢支撑节约钢材。一般可节约1520，从而降低工程造价。国外资料表明：采用格栅比采用钢支撑，可节省大约60的劳动强度和支护费用。 3)重量轻、便于施工安装。格栅钢架重量轻，架设安装时，工人劳动强度不大，且处处有可抓之处，搬运轻便，适合现场的条件和设备条件。 4)使用灵活，可随时调整其设计尺寸。地下工程中地质情况复杂多变，由于格栅制作十分容易，因此可随时调整结构形式和断面尺

7、寸等参数，以适应复杂多变的地质情况。 5)能很好地随混凝土一起与围岩密贴，支护效果好。格栅钢架能完全被混凝土紧密包裹而成为一体，形成类似的钢筋混凝土结构。喷混凝土能充满格栅及其与围岩的所有空隙。而钢支撑的背面常常不能完全充填密实，从而使支护不能很好地与围岩共同作用。 6)便于与其他支护手段配合使用。格栅能很容易地与锚杆、钢丝网、超前小导管等支护手段配合使用，提供支护效果。 格栅的适用范围与钢支撑的适用条件是一致的。主要用于： （1)自稳时间很短的围岩，在锚杆或喷混凝土支扩发挥作用前，可能发生围岩失稳或塌坍危险时； （2）浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，需要提高一次支护的早期强度和刚度时；

8、 （3)在难以施作锚杆、喷射混凝土的砂卵石、土夹石或断层泥等地层，大面积淋水地段，以及为了抑制围岩大的变形而增加支护抗力时；（4）当需要施作超前支护，设置格栅作为超前锚扦(或超前小钢管等)的支承构件时; 自稳时间短，一次变形大的地层，对地面下沉量有严格限制的情况。 根据铁路隧道构筑法技术规则(TBGl0892)规定，采用格栅钢架支护的适用条件见表2。表2 采用格栅的适用条件围岩级别 单 线 隧 道 双 线 隧 道 必要时设置 必要时设置 拱部、边墙、仰拱 拱部、边墙、仰拱 通过试验确定 日本规定，在隧道断面积为20100m2条件下，格栅的采用条件是：裂隙发育，岩体破碎的硬岩；软岩强度比较小和极

9、小的情况；膨胀性围岩；土砂围岩(埋深小的情况)。2）格栅的施工格栅的施工必须注意三点，第一点是格栅的力学作用是逐渐发挥出来的，在没有喷混凝土之前是不能单独承载的，随着混凝土的喷射和硬化，才开始与喷混凝土共同地发挥其作用。因此，架设格栅后应迅速地喷射混凝土。其次是必须用喷混凝土充分填充并与围岩紧密接触。最后当有锚杆等时，必须让格栅和锚杆等连接在一起，形成共同的承载体系。格栅分委托加工和现场加工。委托加工时要向加工单位提供各项设计和技术要求，组织对成品的检验，合格后方能进场。 格栅质量的好坏直接影响到结构的安全和稳定，要把好各道加工工序的质量关。（1）准备 格栅所用钢材进场时按批量和型号分批试验。

10、检验内容包括对标志、厂家、品种、数量、外观检查，并按规定抽样做力学性能试验，进口钢材还需做化学试验分析，符合要求才能使用。 钢筋工、电焊工持证上岗，以保产品质量。（2）加工 经对格栅设计图重新确认无误后，进行实地放样，先加工一榀完整的格栅现场拼装，检查其尺寸、焊接等，符合要求后再批量加工。 一榀完整的格栅由几片组成，有直线型和曲线型两种。直线型比较简单，按设计截取主筋长度再进行加工。曲线型格栅较复杂。外侧两根主筋比内侧要长。下料准确度应达到3以上。 设置格栅加工平台，根据格栅线型制作加工模具。将主筋放置模具上固定好，调整主筋间距至设计要求，焊架立筋保持主筋间距，再绑箍筋，箍筋搭接长度30d，并

11、与四根主筋焊连成整体，同时焊格栅腹筋。四根主筋与连接板翼板搭接焊，垂直于端头板。 格栅加工完，对成品尺寸、质量进行检查，发现问题，及时解决处理，保证产品合格。然后编号，按顺序码放。（3）格栅运输 在运至掌子面过程中，为使格栅不变形，应轻搬轻放，不能乱扔，或用重物敲打，注意保护。（4）格栅架立 首先中线要准确，掌子面有明显的中线标记，避免格栅偏离中线造成严重的超欠挖现象。 架格栅时，每个断面一侧至少测5组支距，与设计支距相比较，差值超过lOmm，应进行调整。架仰拱格栅时，沿边墙距底板一定距离拉1根横线，依据此线，测3组数据，边墙2组，中线1组，与设计比较，差值超过20mm，应进行调整。格栅应与隧

12、道中线垂直，现场设交叉十字线控制。格栅架立要符合设计和技术规范要求。 隧道土体开挖了一个循环进尺时，应检查开挖断面净空，合格后立即架格栅，每片格栅之间的连接直接影响到结构安全，要作到上、下主筋、螺栓孔对齐，穿上螺栓，拧紧。 各片格栅拼装完并检查无误后，焊接纵向连接筋，纵向连接筋用材同格栅主筋，其环向间距一般为11.2m。 在架立时，还应注意以下几点。格栅必须与锚喷支护联合使用，应保证格栅主筋或钢拱架与围岩之间的混凝土厚度不于40mm； 格栅(钢拱架)的纵向间距，一般为0612m，且不宜大于l.2m，两榀格栅之间应设置直径为2022mm的钢拉杆，沿格栅(钢拱架)每12m设一根； 接头是格栅的薄弱

13、处，因此应尽量减少接头数量。 格栅接头通常用连接板和螺栓连接，并要求易干安装； 为防止格栅承载而下沉，格栅下端应设在稳固的地层上，或设在为扩大承压面的钢板、混凝土垫块上，格栅底脚埋入底板深度不应小于15mm，当有水沟时不应高于水沟底面； 开挖下台阶时，为防止格栅拱脚下沉、变形，根据需要在拱脚下可设纵向托梁，把几排格栅连为一整体。2）钢支撑 钢支撑为刚性拱架，以往我国多用工字钢、旧钢轨制造。这种支撑的刚度和强度大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，也可设于混凝土内作永久衬砌的一部分。在软弱破碎围岩中需要立即承载的场合使用较多，用以代替格栅。但这类钢支撑与喷射混凝土粘结不好，与围岩间的空隙难于

14、用喷射混凝土紧密充填，导致钢支撑附近喷射混凝土易于出现开裂。 工字钢和钢轨的垂直和水平方向不是等强度和等刚度的，容易横向失稳、扭曲破坏。钢管钢架断面的各向强度和刚度相同，抗压、抗扭曲强度高，钢管内充填砂浆或混凝土时，其强度更高。钢支撑与格栅不同，是用1020号工字钢或1124kgm轻轨或38.43kgm钢轨或100180mm钢管等制造的。因此，工地需要有一定的加工条件和比格栅更为严格的工艺要求。特别是对接头和底板等构造，要给以足够的关注。图6是拱顶接头的一般构造，图7是柱与柱的接头构造，图8是支撑底脚的底版构造等，都要精心加工和制造。图6拱顶接头图7 柱间接头 图8支撑底版 图9 支撑的联系构

15、件为了加强支撑的纵向稳定和刚度，必须各在支撑键设置联系构件（图9）。对钢支撑的架设，必须强调一点，就是钢支撑必须用楔块与围岩楔紧。从试验资料看，单线隧道的钢支撑加9个楔块时，钢支撑强度可发挥100，加5个楔块时，只能发挥强度的80，故楔子间距宜为1.2m左右。因此单线隧道的钢支撑，楔块数量最好不少于7个。钢支撑的节段数目，应尽量少些。据双线隧道-上半断面钢支撑试验，分成两节(在对称和偏压荷载作用下)较分成4节，承载能力提高近一倍。考虑施工要求，拱部和边墙部分宜分成46节。在有钢支撑的地点，喷射厚度比钢支撑薄的场合，确保支撑和壁面接触的连续性是困难的。其喷射最好采用图5（a）的方式。图10 喷混凝土的修整钢支撑的架设等工艺要求，与格栅基本相同。无论是钢支撑或是格栅，在使用过程中，要牢记三点。与围岩紧密接触；纵向有联系构件；底脚要牢固。这三点对充分发挥格栅和钢支撑的支护作用，至关重要。特别是当坑道超挖较大时，如何处理钢支撑或格栅背后的空隙是个难题。目前有些做法是不可取的，居然用填充碎石或其他异物去充填超挖的空间，而后在其表面上喷混凝土，把其隐蔽起来,结果是后患无穷。