第４２卷第１０期 ２ ０ １ ６年４月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．４２ Ｎｏ．１０ Ａｐｒ． ２０１６ ·１９３· 文章编号：１００９—６８２５（２０１６）１０—０１９３—０３ 隧道钢拱架加工偏差分析及控制原理 林久久 ’● 、 、 （中交一公局总承包经营分公司，北京１０００２４） 摘要：根据隧道钢拱架加工的基本原理，分析了钢架安装后侵限以及同一榀钢架不在同一断面的原因，探讨了控制隧道钢架加 工偏差的措施，使钢架加工作业满足规范设计要求。 关键词：隧道，钢拱架，３Ｄ７－偏差，千斤顶 中图分类号：Ｕ４５５ ０ 引言 隧道初期支护施工中钢架安装后侵限及同一榀钢架不在同 一断面的现象是隧道施工业界的通病，往往造成施工单位为此付 出沉重的代价。初支侵限造成衬砌厚度不足，施工单位不得不请 设计院进行踏勘及检算，甚至是拆除返工；而同一榀钢架不在同 一断面则是每一次检查都被通报的问题，严重的同样造成拆除返 工。对此，有的单位把这些归结为施工过程管理不到位、有的则 归结为工人技术熟练程度不够或设备是在磨合调试阶段不可避 免的一个过程，但是却没有几个单位、几个管理人员或技术人员 从技术的角度来分析和解决这些问题。本文就从技术及原理的 角度来分析、解决这一问题，为以后的隧道初期支护钢架问题提 供一个解决的技术参考。 １ 隧道钢架加工基本（数学）原理 隧道钢架是初期支护的一部分，是洞身围岩初期变形、 提高围岩自稳能力的有效措施；为了最大限度地发挥钢架的作 用、同时也是为方便施工，钢架按照开挖断面设计紧贴洞壁围岩 安装，因此钢架的加工就要从这一设计目的和用途出发严格按照 大样图进行加工。 钢架采用型钢弯曲机进行加工，弯曲机由两个固定外支点（Ａ 和曰）及活动中支点（千斤顶Ｃ）组成，钢架的曲率大小通过活动 支点（千斤顶ｃ）由千斤顶的伸长量来调节。由设备的结构及加 工图可以看出型钢弯曲机的工作原理是平面几何中圆的知 识——在弦长￡固定的条件下半径Ｒ与正矢日的函数关系（如图 １所示）。 Ｄ 图１钢架／ｊｎ－ｒ基本原理数学模型图 由图１可知：两个固定支点间的距离是已知的（固定值），而 半径是在施工图中已经确定的定值（即弦长ＡＢ＝Ｌ、半径为 ），此 时要确定一个圆（弧）只需要确定它的正矢（中间活动支点千斤顶 的伸长量ＣＤ）；根据平面几何中圆的知识得： 正矢ＣＤ的延伸是垂直于弦ＡＢ的一个半径Ｒ，则： 正矢ＣＤ＝半径Ｒ一垂距ＯＣ （１） 收稿日期：２０１６—０１－２３ 作者简介：林冬冬（１９８５一），男，助理工程师 文献标识码：Ａ 垂距ＯＣ是直角三角形ＡＯＤ的一条直边，则根据勾股定理 １得：垂距ＯＣ＝ １ Ｒ 一Ｌ２，将垂距ＯＣ的值代入式（１）得： 二 １～ 正矢ｃＤ＝半径Ｒ一÷，／４１￣ 一Ｌ （２） 二 式（２）求正矢的公式就是在加工钢架时确定中支点千斤顶伸 长量的数学原理公式。 ２隧道钢架Ｎ Ｔ偏差分析 ２．１ 钢架加工偏差引起侵限的原因分析 隧道钢架安装后发生侵限的具体表现有两种情况： １）拱顶正好而拱脚侵限（见图２）； 图２钢架拱脚侵限分析图 ２）拱脚正好而拱顶侵限（见图３）。 图３钢架拱顶侵限分析图 从图２可以看出，钢架的曲率明显大于隧道开挖轮廓线的曲 率，这是造成钢架拱脚侵限的根本原因。 从图３可以看出，钢架的曲率明显小于隧道开挖轮廓线的曲 率，这是造成钢架拱顶侵限的根本原因。 一个圆（圆弧）的大小是由其半径（曲率）的大小决定的，而隧 道断面的半径一般都比较大，在钢架加工的过程中要测量半径非 常的不方便，因此在加工过程中都是根据上述加工原理控制正矢 （中支点千斤顶伸长量）来达到控制钢架弧度及偏差。 ２．２ 同一榀钢架不在同一断面的原因分析 在实际施工过程中钢架加工与安装常常发生的另一个通病 就是“同一榀钢架不在同一断面”，这主要有以下两个方面的 原因： １）钢架本身在运输和加工过程中发生了轻微的翘曲，致使拼 接安装后不在同一断面； ２）钢架接头问题（钢架的连接板与钢架的轴线不垂直）引起 拼装的钢架严重翘曲。 ·１９４· 第４２卷第１０期 ２ ０ １ ６年４月 山 西 建 筑 前者造成钢架翘曲的幅度小，自然对钢架支护作用的影响就 （见图６）。那么上述理论得出来的公式能否保证加工出来的钢 小，而后者造成的钢架翘曲占据了绝大多数，且往往造成整榀钢 架偏差满足规范要求，以下就根据实际情况下弯曲机加工钢架的 架翘曲幅度偏大，对钢架支护作用的影响最大。 模型图进行分析（见图６）。 如图６所示，型钢在加工的过程中与固定支点的接触点由Ｅ ３隧道钢架；￣ｎ－ｒ偏差控制 由以上分析可知，在钢架加工过程中控制加工偏差的核心就 点逐渐滑动到Ｆ点，决定钢架最终形状尺寸的弦长就由最初的 减小量为２×ＥＧ。 是控制钢架加工的曲率，而控制曲率偏差从根本上则是控制千斤 ＡＢ最终减小到２×ＧＣ，顶伸长量的偏差；以下就从技术理论的角度来分析如何控制千斤 顶伸长量的偏差。 由图６可以得出： 直角三角形ＡＤＫ一直角三角形 Ｅ 直角三角形ＪＦＧ，则有： 从图１可以看出型钢弯曲机在加工钢架时两个固定支点（４ 和曰）在钢架的外侧（外轮廓线），而千斤顶（活动中支点Ｃ）却在 ＥＧ＝ ＿，即弦长减小量２×ＥＧ＝ （５） 钢架的内侧（内轮廓线）；加工钢架的这一过程就犹如一块钢梁 （被加工的型钢）在两个固定支点（Ａ和日）作用下形成一简支梁 在跨中集中荷载（中支点千斤顶）的作用下弯曲变形（见图４），这 是钢架加工的工程力学原理。 誊 注：正矢 ＝ 一、／（４尺 一 ），４ 图４弯曲机加工工字钢示意图 图５弯曲机加工工字钢详图 将图４中的核心部分（圈起部分）出来放大就是图５， 这就是钢架在弯曲机下的实际加工数学模型图，从图中可以 得到： 千斤顶的伸长量Ｄ＝千斤顶归零时距离两固定支点的垂距ｄ＋ 正矢Ｈ一型钢截面高度ｈ （３） 其中，千斤顶归零时距离两固定支点的垂距ｄ为定值（由该 型号的弯曲机参数确定）；型钢截面高度ｈ为已知数（由具体施工 图中所用的型钢规格参数确定）；正矢Ｈ为由所加工的钢架具体 使用部位根据施工图设计的隧道开挖断面的尺寸按上述的式（２） 计算确定。 即，将式（２）代人式（３）得： 千斤顶的伸长量Ｄ＝千斤顶归零时距离两固定支点的垂距ｄ＋ １ 半径尺一—删＿１，／４Ｒ￣一Ｌ 一型钢截面高度ｈ （４） 二 其中，Ｒ，Ｌ等参数的意义同上。 得到的这个公式（式（４））就是钢架加工过程中用来控制其形 状尺寸的参数“千斤顶的伸长量Ｄ”的计算公式。 图６钢架和固定支点的实际切点与近似切点的偏差计算模型图 以上是从钢架加工的工程力学原理出发，近似认为钢架加工 过程中型钢与两个固定支点（Ａ和Ｂ）的接触点（支点）的位置不 变，但实际情况却是这两个支点间的距离是逐渐变小到某个值的 那么，最终弦长： Ｌ ＝２×ＧＣ＝ＡＢ一２ ￣ＥＧ＝ （６） 将式（６）代人式（４）得： 千斤顶的伸长量Ｄ ＝千斤顶归零时距离两固定支点的垂距 ｄ＋半径Ｒ一 ［４（尺＋ｒ） 一 ］一型钢截面高度ｈ （７） 得到的式（７）就是在考虑了固定支点（Ａ和Ｂ）与型钢的接触 点（支点）随着型钢弯曲变形而滑移的情况下，理论“千斤顶伸长 量Ｄ”’的公式。 现有的规范对钢架加工的允许偏差没有明确要求，只规定钢 架安装后不得侵入二衬；但图纸的规定是：加工后的钢架沿隧道 周边拼装轮廓误差为±３ ｃｍ，即钢架加工半径的允许偏差为 ±１．５ ｃｍ。由式（４）反推得： 钢架加工半径 ＝千斤顶的伸长量Ｄ＋ １ 尺 一 ＋型钢 截面高度ｈ一千斤顶归零时距离两固定支点的垂距ｄ （８） 由式（７）反推得： 钢架加工半径Ｒ ＝千斤顶的伸长量Ｄ ［４（ ＋ｒ） 一 ］＋型钢截面高度ｈ一千斤顶归零时距离两固 定支点的垂距ｄ （９） 由式（８），式（９）得： 钢架加工半径偏差ＡＲ＝ １ 一 ［４（Ｒ＋ｒ） 一 ］ （１０） 根据该型钢弯曲机的型号参数可知：ＡＢ弦长Ｌ＝２１３ ｃｍ、固 定支点的半径ｒ＝５ ｅｍ、千斤顶归零时距离两固定支点的垂距ｄ＝ ５０ ｃｍ，而隧道开挖断面（双线隧道）的最小半径都在７２１ ｃｍ以 上，将这些数据代入式（１０）得： 钢架加工半径偏差ＡＲ＝一０．１０９ １６ ｃｍ远远小于规定允许的 偏差±１．５ ｅｍ。 因此，简单化建立的公式（式（４））求得的弯曲机加工钢架的 千斤顶伸长量满足实际偏差的需要，同时还使问题简单化便于实 际解决。 ４结语 隧道钢拱架加工偏差的控制就是在实际操作过程中严格按 照（式（４））准确计算的弯曲机千斤顶伸长量进行实际偏差控制确 保钢架加工偏差满足设计要求，在这一过程中技术人员首先要根 据施工图准确计算各个单元钢架加工时的弯曲机千斤顶伸长量， 其次作业人员在加工时准确按照计算的千斤顶伸长量进行设置； 只要这两步都处于可控状态，钢架加工的偏差自然就满足设计要 求，钢架安装后就不会发生侵限。 第４２卷第１０期 ２ ０ １ ６年４月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖ０Ｉ．４２ Ｎｏ．１０ Ａｐｒ． ２０１６ ·１９５· 文章编号：１００９—６８２５（２０１６）１０—０１９５—０２ 碎石挤密桩在液化地基处理中的应用 齐典永 （中交公路规划设计院有限公司宁夏分公司，宇夏银川７５０００４） 摘要：结合某公路大桥的工程地质条件，分析了工程中饱和液化砂土的分布规律，选取碎石挤密桩对液化砂土进行处理，并从碎 石桩设计、施工、质量控制等方面，阐述了具体的处理措施，提高了地基的承载力。 关键词：碎石挤密桩，液化砂土，复合地基，质量控制 中图分类号：ＴＵ４７２．３５ 文献标识码：Ａ １ 工程概况 根据勘探测试成果，依据ＪＴＧ Ｂ０２－－２０ｔ３公路抗震规范与 Ｂ０２—０１—２００８公路桥梁抗震设计细则，砂土液化判别的 拟建宁夏石嘴山红崖子黄河公路大桥项目位于石嘴山市平罗 ＪＴＧ／Ｔ 对场地进行砂土液化判别与等级评定，根据判别结 县境内，路线起于国道１０９线与简滨公路交叉处，起点桩号Ｋ１５＋ 规定与方法，场地２０ ｍ深度内地基液化指数为６．１７—５７．ｏ７，液化等级为中 ２８１．５００即简滨公路桩号Ｋ１５＋２８１．５００，路线向东利用已建成的 果，见表１。 简滨公路１６．６０８ ｋｍ，仅对路面进行加铺改造；新建段起点位于简 等～严重，滨公路的设计桩号Ｋ３１＋８９０即本项目Ｋ３１＋８９０处，向东南方向 设黄河特大桥先后跨越滨河大道、黄河、红崖子防洪堤，于红崖子 王家沟村一队北侧接￥２０３，终点桩号Ｋ３６＋９６０．１４５，路线总长 ２１．６７８ ｋｍ，其中利用简滨公路１６．６０８ ｋｍ，新建５．０７０ ｋｍ，黄河大 桥桥长３．３９８ ｋｍ。 本项目的不良地质主要为饱和砂土液化，场地为黄河冲积平 ２ 表１ 场地液化土分布特征表 序 口 起讫桩号 Ｋ３１＋７ｏ０一 Ｋ３２＋７ｏｏ Ｋ３２＋７ｏｏ— Ｋ３６＋０９０ 工点类型 液化指数 液化等级 中等 液化土 深度／ｍ ７．０—１０．０ １ 西侧桥头引道 ６（路基１７～１７．７１ 涵洞） ．、黄河大桥段 ９．６Ｏ～５７．０７ 中等～严重 ３．３～１５．８ 原地貌，地震基本烈度为８度，项目区地震动峰值加速度为０．２０ｇ， ３ Ｋ３６＋０９０～ Ｋ３６＋９６ｏ 东侧桥头引道 １４（路基涵洞）２ｌ一２６．１８ 中等一严重 ６．２—１１．６ ．、地震动反应谱特征周期为０．４０ Ｓ，地下水位较高，埋深小于５ ｍ， ２．２液化砂土处理 砂土以第四系全新统松散沉积物为主，黄河河漫滩及一级阶地浅 ２０１３年出版的ＪＴＧ Ｂ０２－－２０１３公路工程抗震设计规范中对 部为全新统饱和粉土与粉细砂，天然地基承载力低，在地震作用 路基的液化地基做出了明确的规定，针对本项目，如果满足以下 下稳定性差，易产生液化。 条件之一，则对路基不做处理： ２饱和液化砂土 １）路基填筑高度小于３ ｍ时；２）地面深度６ ｍ范围内液化土 在地震作用下饱和砂土容易引起液化现象，砂土液化对公路 层累计厚度小于２ ｍ时，路基高度小于５ ｍ；３）上覆非液化土层厚 路基产生较大的破坏，破坏主要表现为路基下沉、路基开裂、路基 度或地下水位的深度大于６ ｍ时。 边坡坍塌以及路基沉陷等现象，严重影响行车的安全性。路基地 由场地液化土分布特征表可知，本项目不良地质路段为中等～ 基土的类型、路基填料的种类及性质、路基填筑高度、地下水位的 严重液化。对于路基填土高度小于３ ｍ的普通路段不做处理，对 高度以及地震的强度是制约砂土液化对公路路基破坏的主要因 于路基填土高度大于３ ｍ路段根据液化土层埋深及分布厚度等 素，其中地基土工程地质条件及水文地质条件是关键。结合地基 不同情况按照规范处理原则确定处理路段，对桥涵构造物（圆管 变形特性，建议采取换填法、挤密砂桩法和强夯法来消除地基土 涵不作处理）所在液化砂土路段进行处理。 部分或全部液化。 本项目液化砂土层底埋深基本都在３ ｍ以上，根据地勘资料 ２．１ 液化砂土分布 参考文献： ［ｓ］． ［２］ＴＢ １０７５３－－２０１０，高速铁路隧道工程施工质量验收标准 结合外业调查情况，黄河以西分布宁夏西海湖清真牛肉产业园区， ［ｓ］． ［１］铁建设［２０１０］２４１号，高速铁路隧道工程施工技术指南 ［３］ 中铁工程设计咨询集团有限公司．新建铁路张家口至呼和 浩特铁路施工图——初期支护及辅助措施参考图［Ｒ］． ２０１３：６． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ Ｌｉｎ Ｄｏｎｇｄｏｎｇ （ＦＨＥＣ ｏｆ ＣＣＣＣ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｎｇ Ｂｕｓｉｅｓｎｓ Ｂｒａｎｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｕ— ｓｅｓ ｏｆ ｕｎｉｉｆｅｄ ｃｏｍｍｏｎ ｔｒｕｓｓｅｓ ｓｔｅｅｌ ｆｌａｍｅ ｕｎｄｅｒ ｓａｍｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔｅｅｌ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ， ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｆｒａｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ，ｓｔｅｅｌ ａｒｃｈ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ｊａｃｋ 收稿日期：２０１６—０ｌ＿２４ 作者简介：齐典永（１９８６一），男，硕士，助理工程师
