張 鈿，殷 康，杜 藏，方永泰，朱思宇，郭艷梅

（1.河南洛寧抽水蓄能有限公司，河南省洛陽(yáng)市 471700；2.北京金準(zhǔn)咨詢(xún)有限責(zé)任公司，北京市 100082）

0 引言

抽水蓄能電站工程建設(shè)中存在邊坡支護(hù)作業(yè)，腳手架搭設(shè)對(duì)作業(yè)人員安全以及施工速度、工作效率、工程質(zhì)量均有著直接的影響，本文通過(guò)對(duì)國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司和系統(tǒng)外在建工程的邊坡腳手架施工情況調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行分析、判別和歸類(lèi)并用有限元分析計(jì)算方法，重點(diǎn)研究不同高度和坡度條件下的邊坡支護(hù)所用貼坡腳手架的選型及荷載、設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)造要求、施工要求等，包括腳手架的材質(zhì)、間排距、連墻件、剪刀撐布置及設(shè)計(jì)計(jì)算、搭設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、拆除、驗(yàn)收等要求，形成常見(jiàn)邊坡高度和坡度條件下的腳手架標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。［1-3］

1 貼坡腳手架現(xiàn)狀調(diào)查分析[4]

為準(zhǔn)確了解掌握目前抽水蓄能電站及其他項(xiàng)目貼坡腳手架目前使用情況以及存在的問(wèn)題，課題組采用問(wèn)卷調(diào)查、訪問(wèn)座談、實(shí)地考察、專(zhuān)家咨詢(xún)、文獻(xiàn)檢索等多種形式和專(zhuān)業(yè)的分析方法，客觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地了解目前現(xiàn)場(chǎng)貼坡腳手架的方案編制、現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)、現(xiàn)場(chǎng)管理、運(yùn)行拆除等全過(guò)程存在的主要問(wèn)題。

為保證調(diào)研的真實(shí)性和針對(duì)性，從建設(shè)單位、監(jiān)理、施工單位的技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)管理作業(yè)隊(duì)、架子工和安全員中選擇調(diào)研對(duì)象，特別注重現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的占比，使其具有真實(shí)性。

調(diào)查主要涉及貼坡腳手架方案編制，腳手架原材料使用、計(jì)算荷載選取以及穩(wěn)定性分析、腳手架搭設(shè)、運(yùn)行、拆除等全過(guò)程施工管理等方面。調(diào)查反饋情況：有80%的受訪者認(rèn)為，貼坡腳手架方案編制針對(duì)性不強(qiáng)，方案按照建筑扣件直立式排架進(jìn)行編制，不符合貼坡腳手架的特點(diǎn)，未考慮不同高度和坡度以及邊坡地質(zhì)條件、施工特點(diǎn)等；有75%的被調(diào)查者認(rèn)為，貼坡腳手架和建筑施工扣件鋼管腳手架差別較大，主要差別在桿件受力、整體穩(wěn)定性分析計(jì)算、連墻件的設(shè)置以及荷載傳遞路徑等；有82%的受訪者認(rèn)為，目前抽水蓄能電站和常規(guī)電站施工過(guò)程中貼破腳手架使用范圍廣，若完全按照建筑施工扣件腳手架進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況且針對(duì)性不強(qiáng)，不便于操作，且存在一定的安全管理風(fēng)險(xiǎn)；邊坡施工常用的高度為10～15m，常采用的設(shè)計(jì)坡比一般為1：0.75；關(guān)于腳手架使用材料方面，85%的受訪者反應(yīng)目前腳手架原材料存在的主要問(wèn)題是壁厚、鋼管銹蝕、鋼管彎曲變形，現(xiàn)場(chǎng)原材料存放不符合要求，特別是扣件存放，在腳手架搭設(shè)現(xiàn)場(chǎng)隨處都可以看見(jiàn)散亂的扣件等問(wèn)題。

2 貼坡腳手架的設(shè)計(jì)計(jì)算[5]

2.1 貼坡腳手架設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)因素考慮

為更好地解決貼坡腳手架現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和施工中存在的問(wèn)題，結(jié)合調(diào)研情況，建立不同高度和坡度以及不同荷載作用下的貼坡腳手架穩(wěn)定分析計(jì)算。

2.1.1 大橫桿的計(jì)算

按照三跨連續(xù)梁進(jìn)行強(qiáng)度和撓度計(jì)算。大橫桿在小橫桿的上面，將大橫桿上面的腳手板自重和施工活荷載作為均布荷載計(jì)算大橫桿的最大彎矩和變形。

2.1.2 腳手架參數(shù)選擇

腳手架搭設(shè)高度為5～10、11～20m（在此區(qū)間計(jì)算），立桿采用單立桿；采用的鋼管類(lèi)型為φ48×（2.8-3.5）計(jì)算時(shí)取低值，為增加安全系數(shù)，計(jì)算時(shí)重量按φ48×2.8取值。計(jì)算立桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性時(shí)按最大荷載發(fā)生位置取中間立桿計(jì)算。

2.1.3 施工荷載選取

施工荷載考慮縱向30m，高程方向10m。鉆機(jī)引起的施工活荷載除鉆機(jī)主機(jī)重量外，還考慮了鉆桿等附屬設(shè)施重量，并考慮鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)荷載。經(jīng)計(jì)算，布置鉆機(jī)處的施工活荷載為3.0kN/m2。每層布置2臺(tái)鉆機(jī)，每臺(tái)鉆機(jī)寬度為900mm，連續(xù)5跨內(nèi)布置1臺(tái)鉆機(jī)作業(yè)，最多布置6臺(tái)鉆機(jī)。鉆機(jī)旁需配備施工人員，需考慮施工人活荷載。按鉆機(jī)旁配備5名施工人員考慮，每名施工人員重量80kg，總重量400kg，分布在鉆機(jī)兩側(cè)各1m2范圍內(nèi)，即鉆機(jī)旁邊的施工活荷載為2.0 kN/m2。人員上下通道腳手架需在端部布置人員上下通道（鋼梯或爬梯），該部分考慮人員及材料運(yùn)送，活荷載按3.0kN/m2取值。風(fēng)荷載根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）第4.2.5條規(guī)定計(jì)算，雪荷載結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料選取。

2.2 不同坡、高比情況下的受力分析[7]

2.2.1 分析方法

對(duì)不同坡、高比情況，受力計(jì)算均按照以下分析方法：

（1）大橫桿計(jì)算。大橫桿按三跨連續(xù)梁計(jì)算，計(jì)算工況包括：噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況；錨索施工（有鉆機(jī)）且鉆機(jī)作用在三跨連續(xù)梁的中間跨的工況；錨索施工（有鉆機(jī)）且鉆機(jī)作用在三跨連續(xù)梁的邊跨的工況。大橫桿應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度及變形的計(jì)算要求，最大應(yīng)力應(yīng)小于設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，最大變形應(yīng)小于l/150（l為計(jì)算跨度），且應(yīng)小于10mm。

（2）小橫桿計(jì)算。大橫桿與立桿通過(guò)扣件直接連接，小橫桿主要作為聯(lián)系構(gòu)件，則小橫桿不進(jìn)行單獨(dú)桿件驗(yàn)算，在整體受力及穩(wěn)定性分析中進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）扣件抗滑力計(jì)算。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）第5.2.5條，縱向或橫向水平桿與立桿連接時(shí)，扣件的抗滑承載力應(yīng)符合下式規(guī)定：R≤RC。其中，R為縱向或橫向水平桿傳給立桿的豎向作用力設(shè)計(jì)值；RC為扣件抗滑承載力設(shè)計(jì)值，根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）第5.1.7條，直角扣件、旋轉(zhuǎn)扣件的承載力設(shè)計(jì)值為8.0kN。

（4）整體模型受力計(jì)算[6]。建立整體模型（見(jiàn)圖1），對(duì)單構(gòu)件的受力計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)充。整體模型考慮縱向長(zhǎng)度30m，高度方向10m，剪刀撐等根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置。

圖1 整體模型Figure 1 Overall model

（5）連墻件強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）第5.2.12條，連墻件桿件的強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足：

其中，Ac為連墻件的凈截面面積；f為連墻件鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Nl為連墻件軸向力設(shè)計(jì)值，包括風(fēng)荷載產(chǎn)生的連墻件軸向力設(shè)計(jì)值，及連墻件約束腳手架平面外變形所產(chǎn)生的軸向力，對(duì)有鉆機(jī)的工況應(yīng)考慮鉆機(jī)動(dòng)力頭最大進(jìn)給力產(chǎn)生的連墻件軸向力。

（6）連墻件錨固長(zhǎng)度計(jì)算。本計(jì)算對(duì)不同巖石分類(lèi)采用的連墻件錨固長(zhǎng)度為：巖石類(lèi)別為堅(jiān)硬巖、較硬巖或較軟巖（Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)）時(shí)，錨固深度0.2m；巖石類(lèi)別為軟巖（Ⅳ類(lèi)）時(shí)，錨固深度0.42m；巖石類(lèi)別為極軟巖（Ⅴ類(lèi)）時(shí)，錨固深度0.56m。根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）計(jì)算連墻件的錨固長(zhǎng)度，包括連墻件與巖土層間的錨固長(zhǎng)度計(jì)算和連墻件與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度計(jì)算。

1）連墻件與巖土層間的錨固長(zhǎng)度計(jì)算：

其中，K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù)；Nak為標(biāo)準(zhǔn)組合下錨桿所受軸向拉力；D為錨桿鉆孔直徑；frbk為巖土層與錨固體極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2）連墻件與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度計(jì)算：

其中，K、Nak與1）中相同；n為桿體根數(shù)；d為鋼筋直徑；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2.2.2 分析結(jié)果

將各坡、高比組合下的受力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

（1）噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況。對(duì)于噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況，各坡、高比組合下的受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)腳手架橫距×縱距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6、高度23m的情況，受力計(jì)算不滿(mǎn)足；對(duì)腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比受力計(jì)算不滿(mǎn)足；其余各工況計(jì)算滿(mǎn)足。

表1 噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況下各坡、高比組合受力計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of combined stress of each slope and height ratio under the condition of shotcrete and anchor support construction（without drilling rig）

（2）錨索施工（有鉆機(jī)）工況。對(duì)于錨索施工（有鉆機(jī)）工況，各坡、高比組合下的受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)腳手架橫距×縱距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6及坡度比1：0.3、高度23m的情況，受力計(jì)算不滿(mǎn)足；對(duì)腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比受力計(jì)算不滿(mǎn)足；其余各工況計(jì)算滿(mǎn)足。

表2 錨索施工（有鉆機(jī)）工況下各坡、高比組合受力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of combined stress of slope and height ratio under the condition of anchor cable construction （with drilling machine）

2.3 不同坡、高比情況下的穩(wěn)定性分析[3]

2.3.1 分析方法

對(duì)不同坡、高比情況，穩(wěn)定性分析均按照以下分析方法：

（1）立桿穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）第5.2.6條，立桿穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足：

其中，N為立桿的軸向力設(shè)計(jì)值；φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；A為立桿截面面積；Mw為立桿由于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的彎矩；W為截面模量。

（2）整體穩(wěn)定計(jì)算。建立整體模型，驗(yàn)算腳手架的整體穩(wěn)定性，并對(duì)小橫桿、剪刀撐等構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（3）連墻件穩(wěn)定性計(jì)算。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130—2011）第5.2.12條，連墻件桿件的強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足：

其中，φ為連墻件穩(wěn)定系數(shù)；A為連墻件毛截面面積。

2.3.2 分析結(jié)果

將各坡、高比組合下的受力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

（1）噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況。對(duì)于噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況，各坡、高比組合下的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)腳手架橫距×縱距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6、高度23m的情況，穩(wěn)定計(jì)算不滿(mǎn)足；對(duì)腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比穩(wěn)定計(jì)算不滿(mǎn)足；其余各工況計(jì)算滿(mǎn)足。

表3 噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況下各坡、高比組合穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 3 Combined stability calculation results of each slope and height ratio under shotcrete and anchor support construction （without drilling rig）

（2）錨索施工（有鉆機(jī)）工況。對(duì)于錨索施工（有鉆機(jī)）工 況，各坡、高比組合下的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)腳手架橫距×縱距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6及坡度比1：0.3、高度23m的情況，穩(wěn)定計(jì)算不滿(mǎn)足；對(duì)腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比穩(wěn)定計(jì)算不滿(mǎn)足；其余各工況計(jì)算滿(mǎn)足。

2.4 計(jì)算結(jié)論[7]

2.4.1 各坡、高比下腳手架搭設(shè)要求

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，得出各坡、高比下的腳手架搭設(shè)要求。

表4 錨索施工（無(wú)鉆機(jī)）工況下各坡、高比組合穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of combined stability of each slope and height ratio under anchor cable construction （without drilling rig）

（1）噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況。高度5～10m、坡度比為1：1～1：0.6及1：0.5～1：0.3情況下適用的腳手架最大搭設(shè)間排距為1.8m×1.8m；高度11～23m、坡度比為1：1～1：0.6情況下適用的腳手架最大搭設(shè)間排距為1.8m×1.8m；高度11～23m、坡度比為1：5～1：0.3情況下適用的腳手架最大搭設(shè)間排距為1.5m×1.5m，如表5所示。

表5 噴錨支護(hù)施工（無(wú)鉆機(jī)）工況下各坡、高比組合腳手架搭設(shè)要求Table 5 Requirements for the erection of combined scaffolds with slope and height ratio under the condition of shotcrete and anchor support construction（without drilling rig）

（2）錨索施工（有鉆機(jī)）工況。高度5～10m、坡度比為1：1～1：0.6及1：0.5～1：0.3情況下適用的腳手架最大搭設(shè)間排距為1.8m×1.8m；高度11～23m、坡度比為1：1～1：0.6及1：0.5～1：0.3情況下適用的腳手架最大搭設(shè)間排距為1.5m×1.5m，如表6所示。

表6 錨索施工（有鉆機(jī)）工況下各坡、高比組合腳手架搭設(shè)要求Table 6 Requirements for erection of combined scaffolds with slope and height ratio under anchor cable construction （with drilling rig）

2.4.2 連墻件錨固長(zhǎng)度

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，得出不同巖石分類(lèi)適用的連墻件錨固長(zhǎng)度：巖石類(lèi)別為堅(jiān)硬巖、較硬巖或較軟巖（Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)）時(shí)，錨固深度0.2m；巖石類(lèi)別為軟巖（Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)）時(shí)，錨固深度0.42m；巖石類(lèi)別為極軟巖（Ⅴ類(lèi)）時(shí)，錨固深度0.56m。統(tǒng)計(jì)如表7所示。

表7 不同巖石分類(lèi)適用的連墻件錨固長(zhǎng)度Table 7 Anchorage length of wall connecting parts applicable to different rock classifications

3 貼坡腳手架的施工管理[1]

貼坡腳手架方案設(shè)計(jì)完成后經(jīng)監(jiān)理審批后方可施工，腳手架設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中要重點(diǎn)注重腳手架所用鋼管的壁厚、銹蝕、彎曲與扣件存在裂紋、滑絲和腳手架設(shè)計(jì)與搭設(shè)前對(duì)地基基礎(chǔ)與邊坡巖石類(lèi)別進(jìn)行類(lèi)別判定等問(wèn)題，規(guī)范作業(yè)通道設(shè)置，確保腳手架按照方案設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行施工。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，結(jié)合存在問(wèn)題，在分析、判別和歸類(lèi)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究不同高度和坡度條件下的邊坡支護(hù)所用貼坡雙排扣件式腳手架的選型及荷載、設(shè)計(jì)計(jì)算、構(gòu)造要求、施工要求等內(nèi)容，用科學(xué)的計(jì)算方法，得到了常用貼坡雙排扣件式腳手架穩(wěn)定分析計(jì)算成果，為促進(jìn)抽水蓄能電站貼坡腳手架本質(zhì)安全建設(shè)，規(guī)范貼坡腳手架施工，解決貼坡腳手架施工過(guò)程中的安全通病，建立常見(jiàn)邊坡高度和坡度條件下的腳手架標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。