超高天然边坡支护脚手架搭设技术研究

超高天然边坡支护脚手架搭设技术研究

陈学奎

中国水利水电第四工程局有限公司，青海西宁  810007

摘要：随着我国基础建设的飞速发展，脚手架越来越多应用到建筑物外侧防护，高处作业等建筑领域。脚手架一般都能满足普通建筑物高处作业，但是在一些大、中型水利枢纽工程中往往都存在许多超高天然边坡，此时脚手架形式的选择和搭设方法直接关系到工程施工安全。

关键词：超高；天然边坡；脚手架

1 超高天然边坡脚手架搭设的制约因素

在一些大、中型水利枢纽工程中天然边坡均因风化或卸荷作用存在失稳的隐患，因此施工时均会对此类边坡进行深层锚固支护。开挖形成的边坡往往每高差10~20m设置一层马道，因此脚手架可直接搭设在马道上。但是，天然边坡多为超高边坡，无马道做为搭设基础，存在很多制约因素：

（1）边坡高差大，一次性搭设脚手架时脚手架自重较大，容易因自重及施工荷载造成脚手架失稳垮塌，造成安全事故。

（2）无立杆支撑点。超高天然边坡脚手架底部无较平整的马道或平台，因此脚手架立杆无支撑点，容易剪切滑动造成垮塌。

（3）容易倾倒。超高边坡一般垂直高差都在百米左右，如果一次性搭设如此之高的脚手架，极易在施工过程中受造孔设备的反推力作用或风荷载作用下发生向外倾倒，造成严重安全事故。

2 工程实例

在实际工程施工中要根据边坡的高度、坡度和现场实际条件搭设脚手架，根据实际情况解决问题。现结合博州水电站右岸下游天然边坡支护脚手架搭设的工程实例，研究超高天然边坡脚手架搭设过程中的处理方法及效果。

博州水电站位于新疆自治区博州地区，水库总库容3.68亿m³，为混凝土双曲拱坝，最大坝高167.5m，其右岸下游侧抗力体天然边坡因受卸荷裂隙发育及顺向坡节理裂隙组合影响存在失稳隐患，为解决这一问题，在高程740m-880.5m设置2000KN级L=50m无粘结预应力锚索加固，需搭设脚手架进行该区域锚索施工。

该天然边坡垂直高差140.5m，自然坡度约75度左右，锚索施工设备选用YG-70型液压锚固钻机，需搭设双排承重式钢管脚手架进行施工，为使脚手架搭设和使用过程中安全稳固，在高程760m、780m、800m、820m、840m、860m分别用332  L=6/9m锚筋束和[10槽钢分别设置钢质承重平台作为脚手架基础。

2.1材料选择

钢管选用国标脚手架钢管，截面面积（国标），钢管截面模量，回转半径，惯性矩I=12.71cm4，钢材抗压、抗弯强度设计值，钢材的弹性模量；扣件选用国标扣件，扣件螺栓拧紧扭力矩不应小于40N.m，且不大于65N.m。

2.2脚手架结构设计及计算模型

（1）边坡坡度约75度左右，承重脚手架按照20m一层利用钢质平台独立搭设。

（2）脚手板为5cm木板脚手板，其自重标准值为0.35KN/㎡。

（3）施工荷载按照纵向55m、高程方向20m脚手架范围铺设3层脚手板，同时作业2层，每层布置2台钻机，最多布置4台钻机进行考虑（连续2跨内布置1台钻机作业），单台YG-70钻机总重0.47t，同时配置两名施工人员，重150kg，计算荷载按照2跨内布置1台YG-70岩锚钻机，同时配置两名施工人员，即单个最大钻机施工荷载为[（470kg+150kg）×10/（2.4×1.5）]/1000=1.72KN/㎡，计算时，荷载按照1.72KN/㎡考虑。

（4）施工脚手架设计尺寸。边坡施工脚手架采用钢管扣件式综合脚手架体系，脚手架间排距结合坡面形式以及结构稳定性，其立杆横距La=1.55m，立杆纵距Lb=1.5m，大横杆步距L1=1.8m，小横杆间距L2=1.2m，最大搭建高度按20m高度考虑。施工脚手架按间距3.6m×4.5m设置插筋（插筋垂直坡面），梅花形布置，并通过拉条焊接与脚手架钢管连接作为脚手架连墙加固杆件。

2.3脚手架稳定性计算

2.3.1施工作用荷载及参数

q=(1.2Q1+1.4Q2)×La

q—作用于横向水平杆的线荷载设计值；Q1—脚手板自重0.35KN/㎡；Q2—施工均布荷载标准值1.72KN/㎡；

qk=(Q1+Q2)×La

qk—作用于横向水平杆的线荷载标准值；L1—横杆步距1.8m；L2—小横杆间距1.2m；La—立杆横距1.5m；Lb—立杆纵距1.5m；钢管弹性模量E=2.06×105N/mm2；钢管截面模量W=5.08×103 mm；钢管惯性矩I=12.19×104 mm2；F1—由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值 。

2.3.2脚手架横向水平杆受力计算

横向水平杆受力简图

从图中可以看出，当钻机处于横向水平杆的一跨内时，其受力为最不利状态，则选取这一受力模型按单跨简支梁进行受力计算。

横向水平杆的抗弯强度计算（按最不利荷载，单跨梁进行计算）：

q=(1.2Q1+1.4Q2)×L2=（1.2×0.35+1.4×1.72）×1.5×0.5=2.12KN

qk=(Q1+Q2)×L2=（0.35+1.72）×1.5×0.5=1.55KN

横向水平杆计算简图

由图形可知，横向水平杆跨中最大弯矩值为： Mmax=1/8×q×La2=1/8×2.12×1.52=0.6KN·m

横向水平杆所受的最大弯曲应力为：σmax=Mmax/W=0.6×106/5.08×103=118N/mm2＜f=205N/mm2

横向水平杆的最大挠度为：Wmax=5qLa4／384EI=5×2.12×15004／384×2.06×105×12.19×104=5.55mm＜W允许=La/150=10mm

故由以上计算可知，横向水平杆在此受力情况下的弯曲应力和最大挠度值均满足要求，横向水平杆稳定可靠。

2.3.3脚手架纵向水平杆受力计算

纵向水平杆受力简图

从图中可以看出，钻机在长度方向上处于纵向立杆大约二跨内，其重力通过横向水平杆传给纵向水平杆，选取这一受力模型进行单跨简支梁的受力计算。

纵向水平杆的抗弯强度计算（按最不利荷载，单跨梁进行计算）

纵向水平杆计算简图

由图形可知，纵向水平杆的最大弯矩值为： F1=4.24/4=1.06KN

Mmax=F1×0.25LbLb=0.6KN·m

纵向水平杆所受的最大弯曲应力为：σmax=Mmax/W=0.6×106/5.08×103=118N/mm2＜f=205N/mm2

纵向水平杆的最大挠度为： Wmax=5 F1Lb4／384EI=5×1.06×15004／384×2.06×105×12.19×104=2.78mm＜W允许=Lb/150=10mm

故由以上计算可知，纵向水平杆在此受力情况下的弯曲应力和最大挠度值均满足规范要求，纵向水平杆稳定可靠。

经计算知，在采用YG-70钻机钻孔施工时，考虑钻机自重较大，纵向横杆与立杆处弯矩值较大，故钻机就位前，应对其钻机部位脚手架进行局部加固，在确保安全可靠的情况下再进行钻机安放，加固方式主要采用在大横杆中间加斜撑以提高大横杆的抗弯强度，斜撑结合岩面系统锚杆进行设置。

2.3.4脚手架竖向立杆受力计算

（1）脚手架结构自重标准值产生的轴向力（按20米高计算）：

NG1K=H×gk1=20m×0.1295kN/m=2.59kN

其中：NG1K—脚手架结构自重标准值产生的轴向力

—每米立杆承受的结构自重标准值

（2）脚手架配件自重产生的轴向力：

NG2K=脚手板自重标准值×铺设面积+扣件自重+栏杆、挡脚板自重

=0.35KN/㎡×1.5m×1.5m+0.0146kN/个×8个×12+0.17kN/m×1.5m

=2.441kN

其中：NG2K—— 构配件自重标准值产生的轴向力。

（3）施工荷载标准值产生的轴向力总和： NQK=1/2×W=1/2×4.24kN/㎡×1.5m×1.5m=4.77kN

其中：NQK—施工荷载标准值产生的轴向力总和，内、外立杆可按一纵距内施工荷载总和的1/2取值；W—施工荷载，本脚手架施工荷载主要为锚索钻机及施工人员，施工荷载取4.24kN/㎡。

（4）立杆段轴向力设计值N：N=1.2（NG1K+NG2K）+1.4NQK =1.2×（2.59kN+2.441 kN）+1.4×4.24kN =11.97kN

（5）立杆计算长度l o：l o = kμh= 1×1.6×1.8m =2.88m

其中：－计算长度附加系数，其值取1；－考虑脚手架整体稳定因素得单杆计算长度系数。

则长细比：λ= l o/i =2.88×100cm/1.59cm =181.13 ≤立杆容许长细比[λ]=210

故满足立杆的长细比要求。

（6）立杆抗弯稳定性计算：根据立杆长细比λ，由《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录表C查得稳定系数为0.1295，根据下式得：

N/A=11.97kN/（0.1295×5.06cm2）=18.27kN/ cm2 =182.7N/ mm2≤钢材抗压强度设计值=205 N/ mm2

故整体稳定性满足要求。

2.4钢质平台安全稳定性复核

钢质平台宽度2m，横梁利用间距1.5m，入岩6m/9m交错布置，外露2m的锚筋束，纵梁采用[10槽钢与横梁焊接连接，表面满铺5cm马道板，横梁设置斜向支撑与边坡锚杆连接。

钢质承重平台搭设示意图

（1）锚筋桩承载力验算

根据锚筋桩结构形式锚筋桩裸露部分按一端简支一端锚固进行计算，[10槽钢按悬挑梁进行计算，受力简图如下：

锚筋束（横梁）受力简图

备注：p为承重平台沿竖杆的作用力，q为平台结构自重重+施工分布荷载总量。

锚筋桩裸露段均布荷载的抗弯强度按下式计算

σ=Mmax/Wn =4.875KN/m/86814mm2=56.2N/mm2≤f=205N/mm2

式中：σ－锚筋桩应力值；Mmax－锚筋桩计算截面积最大弯矩设计值；Wn－锚筋桩净截面模量；f－钢材的抗弯强度设计值

锚筋桩裸露段均布荷载的整体稳定性按下式验算：

Mmax/W×φb=2.38KN/m/2.8×86814=23.6≤f=205N/mm2

式中：φb－锚筋桩的整体稳定性系数；W－锚筋桩毛截面模量。

锚筋桩裸露段均布荷载的挠度应符合下式规定

V=1.8mm≤[v]=8mm

式中：[v]－锚筋桩挠度允许值；V－锚筋桩最大挠度。

锚筋桩锚固端剪力vB=21.19KN/㎡=0.021N/mm2≤110N/mm2

（2）[10槽钢的抗弯强度按下式计算

σ=Mmax/Wn =10.1KN/m/113333mm2 =89.1N/mm2≤f=205N/mm2

式中：σ－ [10槽钢应力值；Mmax－[10槽钢计算截面积最大弯矩设计值；Wn －[10槽钢净截面模量；f－钢材的抗弯强度设计值

[10槽钢的整体稳定性按下式验算：

Mmax/W×φb=10.1KN/m/2.8×113333=31.8≤f=205N/mm2

式中：φb－[10槽钢的整体稳定性系数；W－[10槽钢毛截面模量。

  [10槽钢的挠度应符合下式规定

V=1.79mm≤[v]=8mm

式中：[v]－[10槽钢挠度允许值；V－[10槽钢最大挠度。

[10槽钢锚固端剪力vB=4.04KN/㎡=0.004N/mm2≤110N/mm2

（3）锚筋桩抗拉计算

10槽钢作用在锚筋桩沿水平方向分力为2.84×0.75=2KN

锚筋桩在岩石里的锚固力Nak=laξ1πDfrb

式中：la－锚固端长度，设为4m；D－锚固体直径，取0.096m；frb－岩层与锚固体粘结强度特征值，按Ⅳ类岩石取135KPa(GB 50330-2002)。ξ1－工作条件系数，取0.75。

Nak=laξ1πDfrb=4×0.75×3.14×0.096×135=122.1KN

经过上述计算：2KN＜Nak=122.1KN，锚筋桩牢固可靠。

新疆博州水电站右岸抗力体天然边坡锚固施工脚手架于2019年6月搭设完成并投入使用，至2019年9月安全完成该部位施工并拆除，期间安全稳固，未发生安全问题。证明该措施是合理、有效的，达到安全施工的效果。

3 结论

脚手架搭设是建筑施工中经常进行的一道工序，也是工程施工的安全保障，脚手架结构和加固的合理与否直接关系到工程下一工序的开展，也关系到施工人员的人身安全。因此，在超高天然边坡搭设脚手架时严格按规程、规范要求施工，严把质量关，防患于未然。本文通过在新疆博州水电站右岸天然边坡的实际应用，对超高天然边坡脚手架搭设方法进行了客观阐述。希望通过本文的研究能够为今后相关工程的开展与优化提供必要的理论基础与实践指导。

参考文献：

[1]梅锦煜，党立本，等.水利水电工程施工手册（第2卷）.中国电力出版社

[2]高琼英，建筑材料.武汉理工大学出版社

[3]JGJ130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范

[4]GB51210-2016，建筑施工脚手架安全技术统一标准