抽水蓄能電站貼坡雙排扣件式鋼管腳手架不同坡高比下的穩定性分析研究

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，河南省洛陽市 471700；2.北京金準咨詢有限責任公司，北京市 100082）

0 引言

抽水蓄能電站工程建設中存在邊坡支護作業，腳手架搭設對作業人員安全以及施工速度、工作效率、工程質量均有著直接的影響，本文通過對國網新源控股有限公司和系統外在建工程的邊坡腳手架施工情況調查研究的基礎上，進行分析、判別和歸類并用有限元分析計算方法，重點研究不同高度和坡度條件下的邊坡支護所用貼坡腳手架的選型及荷載、設計計算、構造要求、施工要求等，包括腳手架的材質、間排距、連墻件、剪刀撐布置及設計計算、搭設、運行維護、拆除、驗收等要求，形成常見邊坡高度和坡度條件下的腳手架標準設計。［1-3］

1 貼坡腳手架現狀調查分析[4]

為準確了解掌握目前抽水蓄能電站及其他項目貼坡腳手架目前使用情況以及存在的問題，課題組采用問卷調查、訪問座談、實地考察、專家咨詢、文獻檢索等多種形式和專業的分析方法，客觀、科學、準確地了解目前現場貼坡腳手架的方案編制、現場搭設、現場管理、運行拆除等全過程存在的主要問題。

為保證調研的真實性和針對性，從建設單位、監理、施工單位的技術、現場管理作業隊、架子工和安全員中選擇調研對象，特別注重現場作業人員的占比，使其具有真實性。

調查主要涉及貼坡腳手架方案編制，腳手架原材料使用、計算荷載選取以及穩定性分析、腳手架搭設、運行、拆除等全過程施工管理等方面。調查反饋情況：有80%的受訪者認為，貼坡腳手架方案編制針對性不強，方案按照建筑扣件直立式排架進行編制，不符合貼坡腳手架的特點，未考慮不同高度和坡度以及邊坡地質條件、施工特點等；有75%的被調查者認為，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、整體穩定性分析計算、連墻件的設置以及荷載傳遞路徑等；有82%的受訪者認為，目前抽水蓄能電站和常規電站施工過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行設計、施工，不符合現場實際情況且針對性不強，不便于操作，且存在一定的安全管理風險；邊坡施工常用的高度為10～15m，常采用的設計坡比一般為1：0.75；關于腳手架使用材料方面，85%的受訪者反應目前腳手架原材料存在的主要問題是壁厚、鋼管銹蝕、鋼管彎曲變形，現場原材料存放不符合要求，特別是扣件存放，在腳手架搭設現場隨處都可以看見散亂的扣件等問題。

2 貼坡腳手架的設計計算[5]

2.1 貼坡腳手架設計計算相關因素考慮

為更好地解決貼坡腳手架現場設計和施工中存在的問題，結合調研情況，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定分析計算。

2.1.1 大橫桿的計算

按照三跨連續梁進行強度和撓度計算。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算大橫桿的最大彎矩和變形。

2.1.2 腳手架參數選擇

腳手架搭設高度為5～10、11～20m（在此區間計算），立桿采用單立桿；采用的鋼管類型為φ48×（2.8-3.5）計算時取低值，為增加安全系數，計算時重量按φ48×2.8取值。計算立桿強度及穩定性時按最大荷載發生位置取中間立桿計算。

2.1.3 施工荷載選取

施工荷載考慮縱向30m，高程方向10m。鉆機引起的施工活荷載除鉆機主機重量外，還考慮了鉆桿等附屬設施重量，并考慮鉆機運行時的振動荷載。經計算，布置鉆機處的施工活荷載為3.0kN/m2。每層布置2臺鉆機，每臺鉆機寬度為900mm，連續5跨內布置1臺鉆機作業，最多布置6臺鉆機。鉆機旁需配備施工人員，需考慮施工人活荷載。按鉆機旁配備5名施工人員考慮，每名施工人員重量80kg，總重量400kg，分布在鉆機兩側各1m2范圍內，即鉆機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送，活荷載按3.0kN/m2取值。風荷載根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）第4.2.5條規定計算，雪荷載結合當地氣象資料選取。

2.2 不同坡、高比情況下的受力分析[7]

2.2.1 分析方法

對不同坡、高比情況，受力計算均按照以下分析方法：

（1）大橫桿計算。大橫桿按三跨連續梁計算，計算工況包括：噴錨支護施工（無鉆機）工況；錨索施工（有鉆機）且鉆機作用在三跨連續梁的中間跨的工況；錨索施工（有鉆機）且鉆機作用在三跨連續梁的邊跨的工況。大橫桿應滿足強度及變形的計算要求，最大應力應小于設計容許應力，最大變形應小于l/150（l為計算跨度），且應小于10mm。

（2）小橫桿計算。大橫桿與立桿通過扣件直接連接，小橫桿主要作為聯系構件，則小橫桿不進行單獨桿件驗算，在整體受力及穩定性分析中進行驗算。

（3）扣件抗滑力計算。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）第5.2.5條，縱向或橫向水平桿與立桿連接時，扣件的抗滑承載力應符合下式規定：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計值；RC為扣件抗滑承載力設計值，根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）第5.1.7條，直角扣件、旋轉扣件的承載力設計值為8.0kN。

（4）整體模型受力計算[6]。建立整體模型（見圖1），對單構件的受力計算進行補充。整體模型考慮縱向長度30m，高度方向10m，剪刀撐等根據規范要求設置。

圖1 整體模型Figure 1 Overall model

（5）連墻件強度計算。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）第5.2.12條，連墻件桿件的強度驗算應滿足：

其中，Ac為連墻件的凈截面面積；f為連墻件鋼材的強度設計值；Nl為連墻件軸向力設計值，包括風荷載產生的連墻件軸向力設計值，及連墻件約束腳手架平面外變形所產生的軸向力，對有鉆機的工況應考慮鉆機動力頭最大進給力產生的連墻件軸向力。

（6）連墻件錨固長度計算。本計算對不同巖石分類采用的連墻件錨固長度為：巖石類別為堅硬巖、較硬巖或較軟巖（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類）時，錨固深度0.2m；巖石類別為軟巖（Ⅳ類）時，錨固深度0.42m；巖石類別為極軟巖（Ⅴ類）時，錨固深度0.56m。根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）計算連墻件的錨固長度，包括連墻件與巖土層間的錨固長度計算和連墻件與錨固砂漿間的錨固長度計算。

1）連墻件與巖土層間的錨固長度計算：

其中，K為錨桿錨固體抗拔安全系數；Nak為標準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強度標準值。

2）連墻件與錨固砂漿間的錨固長度計算：

其中，K、Nak與1）中相同；n為桿體根數；d為鋼筋直徑；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結強度設計值。

2.2.2 分析結果

將各坡、高比組合下的受力計算結果匯總如下：

（1）噴錨支護施工（無鉆機）工況。對于噴錨支護施工（無鉆機）工況，各坡、高比組合下的受力計算結果見表1。對腳手架橫距×縱距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6、高度23m的情況，受力計算不滿足；對腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比受力計算不滿足；其余各工況計算滿足。

表1 噴錨支護施工（無鉆機）工況下各坡、高比組合受力計算結果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）工況。對于錨索施工（有鉆機）工況，各坡、高比組合下的受力計算結果見表2。對腳手架橫距×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，受力計算不滿足；對腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比受力計算不滿足；其余各工況計算滿足。

表2 錨索施工（有鉆機）工況下各坡、高比組合受力計算結果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、高比情況下的穩定性分析[3]

2.3.1 分析方法

對不同坡、高比情況，穩定性分析均按照以下分析方法：

（1）立桿穩定性計算。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）第5.2.6條，立桿穩定驗算應滿足：

其中，N為立桿的軸向力設計值；φ為軸心受壓構件的穩定系數；A為立桿截面面積；Mw為立桿由于風荷載設計值產生的彎矩；W為截面模量。

（2）整體穩定計算。建立整體模型，驗算腳手架的整體穩定性，并對小橫桿、剪刀撐等構件進行穩定性驗算。

（3）連墻件穩定性計算。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）第5.2.12條，連墻件桿件的強度驗算應滿足：

其中，φ為連墻件穩定系數；A為連墻件毛截面面積。

2.3.2 分析結果

將各坡、高比組合下的受力計算結果匯總如下：

（1）噴錨支護施工（無鉆機）工況。對于噴錨支護施工（無鉆機）工況，各坡、高比組合下的穩定計算結果見表3。對腳手架橫距×縱距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6、高度23m的情況，穩定計算不滿足；對腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比穩定計算不滿足；其余各工況計算滿足。

表3 噴錨支護施工（無鉆機）工況下各坡、高比組合穩定計算結果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）工況。對于錨索施工（有鉆機）工 況，各坡、高比組合下的穩定計算結果見表4。對腳手架橫距×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，穩定計算不滿足；對腳手架橫距×縱距=2.0m×2.0m的情況，各坡、高比穩定計算不滿足；其余各工況計算滿足。

2.4 計算結論[7]

2.4.1 各坡、高比下腳手架搭設要求

根據以上的計算結果，得出各坡、高比下的腳手架搭設要求。

表4 錨索施工（無鉆機）工況下各坡、高比組合穩定計算結果Table 4 Calculation results of combined stability of each slope and height ratio under anchor cable construction （without drilling rig）

（1）噴錨支護施工（無鉆機）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間排距為1.5m×1.5m，如表5所示。

表5 噴錨支護施工（無鉆機）工況下各坡、高比組合腳手架搭設要求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）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間排距為1.5m×1.5m，如表6所示。

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

2.4.2 連墻件錨固長度

根據以上的計算結果，得出不同巖石分類適用的連墻件錨固長度：巖石類別為堅硬巖、較硬巖或較軟巖（Ⅰ類、Ⅱ類）時，錨固深度0.2m；巖石類別為軟巖（Ⅲ類、Ⅳ類）時，錨固深度0.42m；巖石類別為極軟巖（Ⅴ類）時，錨固深度0.56m。統計如表7所示。

表7 不同巖石分類適用的連墻件錨固長度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]

貼坡腳手架方案設計完成后經監理審批后方可施工，腳手架設計、施工過程中要重點注重腳手架所用鋼管的壁厚、銹蝕、彎曲與扣件存在裂紋、滑絲和腳手架設計與搭設前對地基基礎與邊坡巖石類別進行類別判定等問題，規范作業通道設置，確保腳手架按照方案設計計算進行施工。

4 結束語

本文通過現場調查研究，結合存在問題，在分析、判別和歸類的基礎上，重點研究不同高度和坡度條件下的邊坡支護所用貼坡雙排扣件式腳手架的選型及荷載、設計計算、構造要求、施工要求等內容，用科學的計算方法，得到了常用貼坡雙排扣件式腳手架穩定分析計算成果，為促進抽水蓄能電站貼坡腳手架本質安全建設，規范貼坡腳手架施工，解決貼坡腳手架施工過程中的安全通病，建立常見邊坡高度和坡度條件下的腳手架標準設計提供了依據。