无论是采用喷射混凝土，还是采用锚杆；也无论是加长、加密锚杆，还是在混凝土中加入钢筋网、钢纤维，都主要是利用材料柔性和韧性，而对整体刚度并无过多要求。这对支护不太破碎的围岩（Ⅱ～Ⅳ级硬岩）来说，采用这些措施使其稳定是可行的。

在软弱破碎严重、自稳性差的Ⅳ级软岩至Ⅳ级围岩条件下，需要及时阻止围岩变形和承受早期围岩压力（松弛荷载），防止围岩因变形过度而产生坍塌时，柔性较大而刚度较小的锚杆喷射混凝土就难以胜任了。在这种情形下，必须采用钢拱架这种刚度较大的结构作为初期支护。

1.构造组成

钢拱架有花钢拱架和型钢拱架两种结构形式，相比较而言，花钢拱架与混凝土及其他材料有更好的相容性，所以在现代隧道工程中广泛用作初期支护；型钢拱架的表面积较小，与混凝土及其他材料的相容性较差，所以在现代隧道工程中一般只在工程抢险和塌方处理时作为临时支撑使用。型钢拱架又分为工字钢、槽钢和钢管拱架三种；花钢拱架又称为格栅钢架，是采用钢筋焊接而成的。钢拱架不是单独存在的，而是要用喷射混凝土覆盖包裹。

（1）接头。

钢拱架每榀分为2～6节，主要是为了便于架设；为保证接头刚度，钢拱架的接头有端板拴接、夹板拴接及套管连接三种连接形式。

（2）垫板。

钢拱架构件下端断面面积较小，应设底板，以增加支撑面积。

（3）纵向联系。

为保证拱架的纵向稳定性，各榀拱架之间应设置纵向连接筋和斜撑。

2.性能特点

（1）钢拱架的力学性能特点是整体刚度较大，可提供较大的早期支护阻力。钢拱架所提供的支护阻力大小与其构造形式和截面尺寸有关，也与其架设时机有关。

（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，增强支护的刚度和有效性，且受力条件较好。

（3）花钢拱架多是在施工现场加工制作的，其加工制作技术难度和要求并不高；且由于是现场加工制作，当有少量超挖时，可根据坑道的实际尺寸，适当调整花钢拱架的尺寸。

（4）型钢拱架的弯制需要采用专用的大型弯制机，故多是在工厂加工制作后运至施工现场。型钢拱架的接头形式和尺寸相对固定，当实际开挖的坑道轮廓不够圆顺时，型钢拱架的架设就有些困难。

（5）钢拱架的架设安装方便快捷，当围岩变形较大时，还可以设置可缩性接头，以减小支护阻力和钢架内力，适当释放围岩内应力。

3.设计要点(www.daowen.com)

从理论上讲，钢拱架应按其与锚杆、喷射混凝土共同工作的状态来设计，并充分考虑坑道断面尺寸、早期松弛荷载大小、钢拱架承载力、开挖方法和掘进循环进尺的影响，即按P=KU（P为支护阻力，K为支护刚度，U为位移）来确定初期支护的最大阻力。

但由于在软弱破碎围岩中，围岩变形与支护阻力之间的极限平衡状态随着支护变形程度而变化，难以确定。另外，由于软弱破碎围岩早期变形快，有可能形成较大变形和一定范围的松弛荷载，因此，钢拱架可按其单独承受早期松弛荷载来设计，设计是偏安全的。根据设计、施工经验，早期松弛荷载的量值一般按全部松弛荷载的10%～40%来考虑，可用下式表示。

式中：q'为钢拱架承受的早期松弛荷载；q为围岩松弛荷载，按松弛荷载统计公式计算；μ为钢拱架的荷载系数，一般取0.1～0.4。

钢拱架的截面高度应与喷射混凝土厚度相适应，一般为10～15 cm，最大不得超过20 cm，且要有一定厚度的保护层。钢拱架通常是在初喷混凝土后架设的，初喷混凝土的厚度约为4 cm。拟定钢拱架尺寸后，进行强度、刚度和稳定性检算。

为架设方便，每榀钢拱架一般应分为2～6节，并保证接头刚度。节数应与断面大小及开挖方法相适应。为保证架设后钢拱架的临时稳定，每榀钢拱架之间应设置直径不小于22 mm的纵向钢拉杆。

当围岩变形量较小或只允许围岩有少量变形时，钢拱架可以设计为固定型。当围岩流动性强、变形量大，且允许围岩有较大变形时，宜将钢拱架设计为可缩型，其可缩节点位置宜设置在拱顶节点处。

若围岩软弱，承载力不足，要求拱架具有较大的承载力和下沉较小时，应在其下用钢板、片石铺垫，或设置混凝土基座，必要时应增设锁脚锚杆。开挖台阶时，可在上半断面拱脚处增设锁脚锚杆或设置纵向工字钢托梁，以保证上部钢拱架的整体性，减小下沉。必要时，应考虑适当减小拱架间距。

对于软弱破碎围岩，为阻止各榀拱架之间围岩掉块、坍塌，应在钢拱架与围岩之间加钢筋网，当有纵向荷载（包括爆破冲击荷载）时，则应设置纵向斜撑。

4.施工要点

（1）开挖轮廓要尽量平顺，开挖后要及时架设钢拱架，一般应在开挖后的2～6h内完成。架设前应清除危石，防止落石伤人，称为找顶。

（2）钢拱架应按要求的中线、高程和断面尺寸架设在隧道横断面内，其垂直度允许误差为±2°。

（3）钢拱架的接头应连接牢固，拱脚应有一定的埋置深度，以减少沉降和挤入，保证拱架的稳定。还可以用垫石、垫板、纵向托梁、锁脚锚杆等增强稳定性。

（4）钢拱架应尽可能多地与锚杆露头及钢筋网焊接，以增强联合支护效应，各榀钢拱架之间的纵向钢拉杆应按要求设置和安装，并保证连接可靠，使其构成整体。

（5）可缩性钢拱架的可缩性节点处不宜过早覆盖。应待其收缩合拢后，再补充喷射混凝土覆盖。

（6）喷射混凝土时，应注意将钢拱架与岩面之间的间隙喷填密实。喷射混凝土应分层分次施喷完成，初喷混凝土应尽早进行，复喷混凝土应在量测数据指导下进行，以保证其适时、有效。在量测数据显示围岩已经稳定后，可以不必用喷射混凝土将钢拱架完全覆盖，但应在施作内层衬砌时采用普通混凝土填筑密实。

（7）对所架钢拱架应经常检查，如发现喷射混凝土起鼓、开裂、脱落严重，或钢拱架变形严重、倾斜、沉降，必须立即采取加强措施，如补喷混凝土、加打锚杆、增加钢拱架或替换大规格的钢拱架。补喷混凝土应将钢拱架包裹覆盖；钢拱架的顶替应先顶后拆，以免引起围岩的进一步松弛甚至坍塌。