抽水蓄能电站贴坡双排扣件式钢管脚手架不同坡高比下的稳定性分析研究

张 钿，殷 康，杜 藏，方永泰，朱思宇，郭艳梅

（1.河南洛宁抽水蓄能有限公司，河南省洛阳市 471700；2.北京金准咨询有限责任公司，北京市 100082）

0 引言

抽水蓄能电站工程建设中存在边坡支护作业，脚手架搭设对作业人员安全以及施工速度、工作效率、工程质量均有着直接的影响，本文通过对国网新源控股有限公司和系统外在建工程的边坡脚手架施工情况调查研究的基础上，进行分析、判别和归类并用有限元分析计算方法，重点研究不同高度和坡度条件下的边坡支护所用贴坡脚手架的选型及荷载、设计计算、构造要求、施工要求等，包括脚手架的材质、间排距、连墙件、剪刀撑布置及设计计算、搭设、运行维护、拆除、验收等要求，形成常见边坡高度和坡度条件下的脚手架标准设计。［1-3］

1 贴坡脚手架现状调查分析[4]

为准确了解掌握目前抽水蓄能电站及其他项目贴坡脚手架目前使用情况以及存在的问题，课题组采用问卷调查、访问座谈、实地考察、专家咨询、文献检索等多种形式和专业的分析方法，客观、科学、准确地了解目前现场贴坡脚手架的方案编制、现场搭设、现场管理、运行拆除等全过程存在的主要问题。

为保证调研的真实性和针对性，从建设单位、监理、施工单位的技术、现场管理作业队、架子工和安全员中选择调研对象，特别注重现场作业人员的占比，使其具有真实性。

调查主要涉及贴坡脚手架方案编制，脚手架原材料使用、计算荷载选取以及稳定性分析、脚手架搭设、运行、拆除等全过程施工管理等方面。调查反馈情况：有80%的受访者认为，贴坡脚手架方案编制针对性不强，方案按照建筑扣件直立式排架进行编制，不符合贴坡脚手架的特点，未考虑不同高度和坡度以及边坡地质条件、施工特点等；有75%的被调查者认为，贴坡脚手架和建筑施工扣件钢管脚手架差别较大，主要差别在杆件受力、整体稳定性分析计算、连墙件的设置以及荷载传递路径等；有82%的受访者认为，目前抽水蓄能电站和常规电站施工过程中贴破脚手架使用范围广，若完全按照建筑施工扣件脚手架进行设计、施工，不符合现场实际情况且针对性不强，不便于操作，且存在一定的安全管理风险；边坡施工常用的高度为10～15m，常采用的设计坡比一般为1：0.75；关于脚手架使用材料方面，85%的受访者反应目前脚手架原材料存在的主要问题是壁厚、钢管锈蚀、钢管弯曲变形，现场原材料存放不符合要求，特别是扣件存放，在脚手架搭设现场随处都可以看见散乱的扣件等问题。

2 贴坡脚手架的设计计算[5]

2.1 贴坡脚手架设计计算相关因素考虑

为更好地解决贴坡脚手架现场设计和施工中存在的问题，结合调研情况，建立不同高度和坡度以及不同荷载作用下的贴坡脚手架稳定分析计算。

2.1.1 大横杆的计算

按照三跨连续梁进行强度和挠度计算。大横杆在小横杆的上面，将大横杆上面的脚手板自重和施工活荷载作为均布荷载计算大横杆的最大弯矩和变形。

2.1.2 脚手架参数选择

脚手架搭设高度为5～10、11～20m（在此区间计算），立杆采用单立杆；采用的钢管类型为φ48×（2.8-3.5）计算时取低值，为增加安全系数，计算时重量按φ48×2.8取值。计算立杆强度及稳定性时按最大荷载发生位置取中间立杆计算。

2.1.3 施工荷载选取

施工荷载考虑纵向30m，高程方向10m。钻机引起的施工活荷载除钻机主机重量外，还考虑了钻杆等附属设施重量，并考虑钻机运行时的振动荷载。经计算，布置钻机处的施工活荷载为3.0kN/m2。每层布置2台钻机，每台钻机宽度为900mm，连续5跨内布置1台钻机作业，最多布置6台钻机。钻机旁需配备施工人员，需考虑施工人活荷载。按钻机旁配备5名施工人员考虑，每名施工人员重量80kg，总重量400kg，分布在钻机两侧各1m2范围内，即钻机旁边的施工活荷载为2.0 kN/m2。人员上下通道脚手架需在端部布置人员上下通道（钢梯或爬梯），该部分考虑人员及材料运送，活荷载按3.0kN/m2取值。风荷载根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）第4.2.5条规定计算，雪荷载结合当地气象资料选取。

2.2 不同坡、高比情况下的受力分析[7]

2.2.1 分析方法

对不同坡、高比情况，受力计算均按照以下分析方法：

（1）大横杆计算。大横杆按三跨连续梁计算，计算工况包括：喷锚支护施工（无钻机）工况；锚索施工（有钻机）且钻机作用在三跨连续梁的中间跨的工况；锚索施工（有钻机）且钻机作用在三跨连续梁的边跨的工况。大横杆应满足强度及变形的计算要求，最大应力应小于设计容许应力，最大变形应小于l/150（l为计算跨度），且应小于10mm。

（2）小横杆计算。大横杆与立杆通过扣件直接连接，小横杆主要作为联系构件，则小横杆不进行单独杆件验算，在整体受力及稳定性分析中进行验算。

（3）扣件抗滑力计算。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）第5.2.5条，纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力应符合下式规定：R≤RC。其中，R为纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值；RC为扣件抗滑承载力设计值，根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）第5.1.7条，直角扣件、旋转扣件的承载力设计值为8.0kN。

（4）整体模型受力计算[6]。建立整体模型（见图1），对单构件的受力计算进行补充。整体模型考虑纵向长度30m，高度方向10m，剪刀撑等根据规范要求设置。

图1 整体模型Figure 1 Overall model

（5）连墙件强度计算。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）第5.2.12条，连墙件杆件的强度验算应满足：

其中，Ac为连墙件的净截面面积；f为连墙件钢材的强度设计值；Nl为连墙件轴向力设计值，包括风荷载产生的连墙件轴向力设计值，及连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力，对有钻机的工况应考虑钻机动力头最大进给力产生的连墙件轴向力。

（6）连墙件锚固长度计算。本计算对不同岩石分类采用的连墙件锚固长度为：岩石类别为坚硬岩、较硬岩或较软岩（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类）时，锚固深度0.2m；岩石类别为软岩（Ⅳ类）时，锚固深度0.42m；岩石类别为极软岩（Ⅴ类）时，锚固深度0.56m。根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）计算连墙件的锚固长度，包括连墙件与岩土层间的锚固长度计算和连墙件与锚固砂浆间的锚固长度计算。

1）连墙件与岩土层间的锚固长度计算：

其中，K为锚杆锚固体抗拔安全系数；Nak为标准组合下锚杆所受轴向拉力；D为锚杆钻孔直径；frbk为岩土层与锚固体极限黏结强度标准值。

2）连墙件与锚固砂浆间的锚固长度计算：

其中，K、Nak与1）中相同；n为杆体根数；d为钢筋直径；fb为钢筋与锚固砂浆间的黏结强度设计值。

2.2.2 分析结果

将各坡、高比组合下的受力计算结果汇总如下：

（1）喷锚支护施工（无钻机）工况。对于喷锚支护施工（无钻机）工况，各坡、高比组合下的受力计算结果见表1。对脚手架横距×纵距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6、高度23m的情况，受力计算不满足；对脚手架横距×纵距=2.0m×2.0m的情况，各坡、高比受力计算不满足；其余各工况计算满足。

表1 喷锚支护施工（无钻机）工况下各坡、高比组合受力计算结果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）锚索施工（有钻机）工况。对于锚索施工（有钻机）工况，各坡、高比组合下的受力计算结果见表2。对脚手架横距×纵距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6及坡度比1：0.3、高度23m的情况，受力计算不满足；对脚手架横距×纵距=2.0m×2.0m的情况，各坡、高比受力计算不满足；其余各工况计算满足。

表2 锚索施工（有钻机）工况下各坡、高比组合受力计算结果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、高比情况下的稳定性分析[3]

2.3.1 分析方法

对不同坡、高比情况，稳定性分析均按照以下分析方法：

（1）立杆稳定性计算。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）第5.2.6条，立杆稳定验算应满足：

其中，N为立杆的轴向力设计值；φ为轴心受压构件的稳定系数；A为立杆截面面积；Mw为立杆由于风荷载设计值产生的弯矩；W为截面模量。

（2）整体稳定计算。建立整体模型，验算脚手架的整体稳定性，并对小横杆、剪刀撑等构件进行稳定性验算。

（3）连墙件稳定性计算。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130—2011）第5.2.12条，连墙件杆件的强度验算应满足：

其中，φ为连墙件稳定系数；A为连墙件毛截面面积。

2.3.2 分析结果

将各坡、高比组合下的受力计算结果汇总如下：

（1）喷锚支护施工（无钻机）工况。对于喷锚支护施工（无钻机）工况，各坡、高比组合下的稳定计算结果见表3。对脚手架横距×纵距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6、高度23m的情况，稳定计算不满足；对脚手架横距×纵距=2.0m×2.0m的情况，各坡、高比稳定计算不满足；其余各工况计算满足。

表3 喷锚支护施工（无钻机）工况下各坡、高比组合稳定计算结果Table 3 Combined stability calculation results of each slope and height ratio under shotcrete and anchor support construction （without drilling rig）

（2）锚索施工（有钻机）工况。对于锚索施工（有钻机）工 况，各坡、高比组合下的稳定计算结果见表4。对脚手架横距×纵距=1.8m×1.8m、坡度比1：0.6及坡度比1：0.3、高度23m的情况，稳定计算不满足；对脚手架横距×纵距=2.0m×2.0m的情况，各坡、高比稳定计算不满足；其余各工况计算满足。

2.4 计算结论[7]

2.4.1 各坡、高比下脚手架搭设要求

根据以上的计算结果，得出各坡、高比下的脚手架搭设要求。

表4 锚索施工（无钻机）工况下各坡、高比组合稳定计算结果Table 4 Calculation results of combined stability of each slope and height ratio under anchor cable construction （without drilling rig）

（1）喷锚支护施工（无钻机）工况。高度5～10m、坡度比为1：1～1：0.6及1：0.5～1：0.3情况下适用的脚手架最大搭设间排距为1.8m×1.8m；高度11～23m、坡度比为1：1～1：0.6情况下适用的脚手架最大搭设间排距为1.8m×1.8m；高度11～23m、坡度比为1：5～1：0.3情况下适用的脚手架最大搭设间排距为1.5m×1.5m，如表5所示。

表5 喷锚支护施工（无钻机）工况下各坡、高比组合脚手架搭设要求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）锚索施工（有钻机）工况。高度5～10m、坡度比为1：1～1：0.6及1：0.5～1：0.3情况下适用的脚手架最大搭设间排距为1.8m×1.8m；高度11～23m、坡度比为1：1～1：0.6及1：0.5～1：0.3情况下适用的脚手架最大搭设间排距为1.5m×1.5m，如表6所示。

表6 锚索施工（有钻机）工况下各坡、高比组合脚手架搭设要求Table 6 Requirements for erection of combined scaffolds with slope and height ratio under anchor cable construction （with drilling rig）

2.4.2 连墙件锚固长度

根据以上的计算结果，得出不同岩石分类适用的连墙件锚固长度：岩石类别为坚硬岩、较硬岩或较软岩（Ⅰ类、Ⅱ类）时，锚固深度0.2m；岩石类别为软岩（Ⅲ类、Ⅳ类）时，锚固深度0.42m；岩石类别为极软岩（Ⅴ类）时，锚固深度0.56m。统计如表7所示。

表7 不同岩石分类适用的连墙件锚固长度Table 7 Anchorage length of wall connecting parts applicable to different rock classifications

3 贴坡脚手架的施工管理[1]

贴坡脚手架方案设计完成后经监理审批后方可施工，脚手架设计、施工过程中要重点注重脚手架所用钢管的壁厚、锈蚀、弯曲与扣件存在裂纹、滑丝和脚手架设计与搭设前对地基基础与边坡岩石类别进行类别判定等问题，规范作业通道设置，确保脚手架按照方案设计计算进行施工。

4 结束语

本文通过现场调查研究，结合存在问题，在分析、判别和归类的基础上，重点研究不同高度和坡度条件下的边坡支护所用贴坡双排扣件式脚手架的选型及荷载、设计计算、构造要求、施工要求等内容，用科学的计算方法，得到了常用贴坡双排扣件式脚手架稳定分析计算成果，为促进抽水蓄能电站贴坡脚手架本质安全建设，规范贴坡脚手架施工，解决贴坡脚手架施工过程中的安全通病，建立常见边坡高度和坡度条件下的脚手架标准设计提供了依据。