站高边坡支护排架的设计与安全管理_高边坡支护设计说明
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马马崖水电站边坡支护过程中排架的设计与安全管理
作者：石磊 朱庆飞 胡倩
摘要：在水电站建设中，经常要遇到高边坡开挖支护作业，一般都要搭设排架进行边坡的系统支护加固，由于在排架的设计、搭设、验收及日常安全管理中存在的一系列问题，排架垮塌、高处坠落等安全事故屡有发生，排架的设计和施工安全管理问题日渐突出。本文依托工程实例，对马马崖水电站高边坡支护排架的设计与安全管理进行了研究总结。
关键词：边坡排架设计安全管理
1工程情况简介
马马崖一级水电站工程坝区河谷较平直，坝轴线枯期河水位505m，水面宽37m，河水深5～7m，正常蓄水位585m高程时，河谷宽165m，河谷宽高比1.8:1。两岸河谷为不对称的“V”型，左岸为逆向坡，右岸为顺向坡。左岸地形640m高程以下为45°左右的斜坡，局部夹10m左右高的小陡壁，640m～880m为75°左右的陡壁；右岸600m高程以下为100m左右的陡壁，600m～765m高程为25°～35°斜坡或缓坡地形。
高边坡开挖与支护同步施工，支护类型有：锚杆、喷射混凝土、锚杆和各种喷射混凝土的组合、砌体工程、回填混凝土工程、排水孔等。
2排架设计及计算
2.1、排架选材
2.1.1、钢管
（1）钢管采用外径48mm，壁厚3.5mm的管材；
（2）钢管应平直光滑，无裂缝、结疤、分层、错位、硬弯等缺陷；
（3）钢管两端截面应平直，切斜偏差不大于1.7mm，严禁有毛口、卷口和斜口等现象；
（4）排架钢管的尺寸应符合相关规范要求，每根钢管的最大重量不应大于25kg；
（5）钢管应有产品质量合格证。
2.1.2、扣件
（1）采用可锻造铸铁制作的扣件，其材质应符合现行国家标准《钢管脚手架扣件》（GB15831-1995）的规定；
（2）扣件必须有产品合格证或租赁单位的质量保证证明；
（3）旧扣件使用前应进行质量检查，有裂缝、变形的严禁使用，出现滑丝的螺栓必须更换。
2.1.3、脚手板
（1）用螺栓将侧立的竹片并列连接而成；
（2）板长一般2～2.5m，宽为0.25m，板厚一般不小于50mm；
（3）螺栓直径8～10mm，间距500～600mm，首支螺栓离板端200mm～250mm；
（4）有虫蛀、枯脆、松散现象的竹跳板不得使用。
2.1.4、连墙件及安全网/ 6
（1）连墙件采用Φ28mm的Ⅱ级螺纹钢，材质符合现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T700）中Q235—A级钢的规定。
（2）安全网采用正规厂家生产的具有安全防护合格证的产品。
2.2、荷载计算
本边坡支护施工排架上主要有钻机和作业人员等荷载。钢管排架的荷载由纵向水平杆、横向水平杆和立杆组成的承载力构架承受，并通过立杆传给基础。剪刀撑、斜撑和连墙杆主要是保证排架的整体钢度和稳定性，增加抵抗垂直和水平作用的能力；连墙杆承受全部的风荷载；扣件是排架组成整体的连接件和传力件。
2.2.1、计算依据
（1）《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）；
（2）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）；
（3）工程设计图纸及地质资料等。
2.2.2、排架的设计计算参数
搭设高度H=15m（取逐层马道最大高差，10排），立杆的纵距为 1.8米，立杆的横距为
1.2米，横向水平杆和纵向水平杆的步距为1.2 米；，连墙件为2步3跨设置，脚手板为毛竹
2片。同时作业层数1层。排架材质选用φ48mm×3.5mm钢管，截面面积A=489mm，截面模量
332W=5.08×10mm，回转半径i=15.8mm，抗压、抗弯强度设计值f=205N/mm，基本风压值ω
0=0.3kN/m，计算时忽略雪、雨水荷载等。
2.2.3、荷载分类
（1）永久荷载可分为：排架结构自重，包括立杆、纵向水平杆、横向水平杆、剪刀撑、横向斜撑和扣件等的自重；构配件自重，包括脚手板、栏杆、挡脚板、安全网等防护设施的自重。
（2）可变荷载可分为：施工荷载，包括作业层上的人员、器具和材料的自重；风荷载。
2.2.4、荷载标准值2 结构自重标准值：0.1734kN/m ；竹脚手板自重标准值：0.200kN/m（可按实际取值）；
22栏杆与挡脚板自重标准值：0.150kN/m（可按实际取值）；施工均布活荷载：1.000 kN/m。
2风荷载标准值：本工程地处贵州省安顺市，基本风压为0.3 kN/m；风荷载高度变化系数μ
z 为1.00，风荷载体型系数μs 为0.65；
2.2.5、纵向水平杆、横向水平杆计算
(1)横向水平杆计算
横杆的自重标准值:P1=0.038 kN/m ；
脚手板的自重标准值:P2=0.2×1.2/(2+1)=0.08 kN/m ；
活荷载标准值: Q=1×1.2/(2+1)=0.4 kN/m；
静荷载的设计值: q1=1.2×0.038+1.2×0.08=0.142 kN/m；
活荷载的设计值: q2=1.4×0.4=0.56 kN/m
跨中最大弯距为 M1max=0.08×0.142×1.82+0.10×0.56×1.82 =0.218 kN.m；
支座最大弯距为 M2max=-0.10×0.142×1.82-0.117×0.56×1.82 =-0.258 kN.m；
选择支座弯矩和跨中弯矩的最大值进行强度验算：
2σ=Max(0.218×106,0.258×106)/5080=50.787 N/mm；横杆的最大弯曲应力为 σ= 50.787 N/mm，小于横杆的抗压强度设计值 [f]=205 N/mm2，满足要求。
最大挠度计算值为：V= 1.991 mm；
横杆的最大挠度 1.991 mm，小于横杆的最大容许挠度 1800/150 mm，满足要求。
(2)纵向水平杆计算
按三跨连续梁计算，计算过程如下：
最大弯矩 M= Mqmax + Mpmax = 0.514 kN.m；
2最大应力计算值 σ = M / W = 0.514×106/5080=101.14 N/mm ；
22纵杆的最大弯曲应力 σ =101.14 N/mm，小于纵杆的抗压强度设计值 205 N/mm，满足要
求。
最大挠度和 V = Vqmax + Vpmax = 0.041+2.279 = 2.32 mm；
纵杆的最大挠度为 2.32 mm，小于纵杆的最大容许挠度 1200/150=8与10 mm,满足要求。
(3)横向水平杆与立杆连接的扣件抗滑承载力验算
双扣件承载力设计值取16.00kN，按照扣件抗滑承载力系数0.80，该工程实际的旋转双扣件承载力取值为12.80kN。
横杆的自重标准值: P1 = 0.038×1.8×2/2=0.069 kN；
立杆的自重标准值: P2 = 0.038×1.2/2=0.023 kN；
脚手板的自重标准值: P3 = 0.2×1.2×1.8/2=0.216 kN；
活荷载标准值: Q = 1×1.2×1.8 /2 = 1.08 kN；
荷载的设计值: R=1.2×(0.069+0.023+0.216)+1.4×1.08=1.882 kN；
R
2.2.6、立杆计算
立杆的轴心压力设计值 ：N = 9.007 kN；
计算立杆的截面回转半径 ：i = 1.58 cm；
计算长度附加系数参照《扣件式规范》表5.3.3得 ： k = 1.155 ；
计算长度系数参照《扣件式规范》表5.3.3得 ：μ = 1.53 ；
计算长度 ,由公式 L0 = kuh 确定：L0 = 2.121 m；
长细比: L0/i = 134 ；
轴心受压立杆的稳定系数φ,由长细比 L0/i 的结果查表得到 ：φ= 0.376
2立杆净截面面积 ： A = 4.89 cm；
3立杆净截面模量(抵抗矩)：W = 5.08 cm；
2钢管立杆抗压强度设计值 ：[f] =205 N/mm；
2σ = 9007.2/(0.376×489)+41779.282/5080 = 57.213 N/mm；
22立杆稳定性计算 σ = 57.213 N/mm，小于立杆的抗压强度设计值 [f] = 205 N/mm，满
足要求。
2.2.7、连墙件计算（按两步三跨设置）
连墙件的轴向力设计值应按照下式计算：Nl = Nlw + N0
2风荷载标准值 Wk = 0.135 kN/m；
2每个连墙件的覆盖面积内脚手架外侧的迎风面积 Aw = 12.96 m；
按《规范》5.4.1条连墙件约束脚手架平面外变形所产生的轴向力(kN), N0= 5.000kN；风荷载产生的连墙件轴向力设计值(kN)，按照下式计算：
Nlw = 1.4×Wk×Aw = 2.458 kN；
连墙件的轴向力设计值 Nl = Nlw + N0= 7.458 kN；
连墙件承载力设计值按下式计算：Nf = φ·A·[f]
其中 φ--轴心受压立杆的稳定系数；
由长细比 L0/i = 300/15.8的结果查表得到 φ=0.949，L为内排架距离墙的长度；
2又： A = 4.89 cm2；[f]=205 N/mm；
连墙件轴向承载力设计值为 Nf = 0.949×4.89×10-4×205×103 = 95.133 kN；Nl = 7.458
连墙件采用双扣件与墙体连接。
由以上计算得到 Nl = 7.458,小于双扣件的抗滑力 12.8 kN，满足要求。
2.2.8、立杆地基承载力计算
地基承载力设计值:fg = fgk×kc = 160 kpa；
其中，地基承载力标准值：fgk= 160 kpa ； 脚手架地基承载力调整系数：kc = 1 ； 立杆基础底面的平均压力：p = N/A =36.029 kpa ；其中，上部结构传至基础顶面的轴向力
2设计值 ：N = 9.007 kN；基础底面面积 ：A = 0.25 m。
p=36.029 ≤ fg=160 kpa。地基承载力满足要求。
经过上述计算所得，边坡支护排架设计采用参数满足施工要求。
3排架的过程控制
3.1排架搭设
（1）排架搭设人员经过培训教育、考试、体检合格，持证上岗。
（2）搭设前必须在现场对排架搭设施工及管理人员进行技术、安全交底，并做好交底记录，排架搭设人员须熟悉排架的设计内容。
（3）对钢管、扣件、脚手板、爬梯、安全网等材料的质量、数量进行清点、检查、验收，确保材料合格、齐全。
（4）清除搭设场地的杂物，基础松软要进行处理，检查边坡的稳定情况并对边坡上的危石清撬。
（5）排架的搭设严格按照经过审批的设计、施工方案进行，严禁偷工减料，严格搭设工艺，不得将变形或校正过的材料作为立杆。
（6）排架搭设中，跳板、护栏、连墙件、安全网、交通梯等必须同时跟进。
（7）排架须配合施工进度搭设，一次搭设高度不得超过相邻连墙件（锚固点等）以上两步。
（8）排架钢管按设计要求进行搭接或对接，端部扣件盖板边缘至杆端距离不应小于100mm，搭接时应采用不少于2个旋转扣件固定，搭接长度不应小于500mm。
（9）排架作业面的脚手板必须铺满并绑扎牢固，不得留有空隙和探头板，脚手板与墙面间的距离一般不大于20cm；作业面的外侧立面的防护设施可采用立网、护栏、跳板防护。
（10）栏杆和挡脚板应搭设在外立杆的内侧，栏杆上皮高度应为1.2m，挡脚板高度不应小于180mm，如需设置中栏杆，则中栏杆应居中设置。
3.2 排架验收
排架验收应随施工进度进行，实行工序验收制度。排架的搭设分单元进行的，单元中每道工序完工后，必须经过现场施工技术人员检查验收，合格后方可进入下道工序和下一单元施工。排架按设计搭设完成后，作业班组队进行全面自检，在自检的基础上，由施工单位技术部门牵头，组织生产、质量、安全等相关部门会同监理单位对排架进行验收挂牌，联合验收合格挂牌后方可上架作业。
3.3排架的使用
（1）排架搭设完成后，未经检查验收或检查验收中发现问题没有整改完毕的，不得投入使用。
（2）验收合格排架要在排架醒目位置挂告示牌，注明排架通过验收时间、使用期限、一次允许在排架上作业人数、最大承受荷载等。
（3）排架在使用过程中，实行定期检查和班前检查制度。定期安全检查一般每周一次，并应根据具体检查对象编写安全检查表，对照安全检查表的内容逐项进行检查。作业前，班长或带
班人应对排架进行检查，确认安全后方可上排架作业。对于靠近爆破地点的排架，每次爆破后应对排架的强度、稳定性、基础等进行专门检查，发现问题及时报告处理。
（4）排架使用中作业层上的施工荷载应符合设计要求，严禁超载。架面荷载应力求均匀分布，避免荷载集中于一侧；各种材料、机具等要随运随装或随拆随运，不得存放在排架上。不得将风管、水管等支撑固定在脚手架上，严禁任意悬挂起重设备。
（5）排架在使用期间，严禁拆除主节点处的纵、横向水平杆，纵、横向扫地杆、连墙件及撑、拉、提、吊设施，未经主管部门同意，不得任意改变排架的结构、用途或拆除构件，如必须改变排架结构，应征得原设计同意，重新修改设计；排架上的安全防护设施禁止随意拆除。
（6）在排架上进行电、气焊或在有排架的部位从事吊装作业时，必须采取防电、防火和防撞击排架的措施，并派专人监护。
（7）排架上不准有任何活动材料，如扣件、活动钢管、钢筋，一旦发现应及时清除。
（8）在六级以上大风、大雾和大雨天气下不得进行脚手架作业，雨后上架前要采取防滑措施。
3.4排架拆除
（1）清除排架上的材料、杂物及地面障碍物，并将受其影响的机电设备及其它管线等拆除或加以保护。
（2）拆除顺序应逐层从上而下进行，严禁上下同时作业。
（3）所有连墙件应随排架逐层拆除，严禁先将连墙件整层或数层拆除后再拆排架；分段拆除高差不应大于两步，如高差大于两步应采取必要的加固措施。
（4）当排架拆至下部最后一根长钢管的高度时，根据现场需要先在适当位置搭临时支撑加固，后拆连墙件。
（5）当排架采取分段分立面拆除时，对不拆除的排架两端应先设置连墙件和横向支撑加固。
（6）各构配件必须及时分段集中运至地面，严禁抛扔；排架拆除后，必须做到工完场清。
（7）运至地面的构配件应按规定的要求及时检查整修与保养，并按品种、规格存放于干燥通风处，防止锈蚀。
4结束语
水电站边坡施工排架通常要进行钻孔、注浆等作业，排架在承受垂直向下的荷载时，还要承受一定的水平冲击荷载，由于钻机等施工机械在排架上频繁移动，导致作业人员嫌麻烦，经常不将安全带固定可靠，给施工作业现场带来人为安全隐患，极易发生高处坠落事故;边坡马道开挖和支护同时进行，存在上下交叉作业，应该在当班工作开始前对临近工作面的施工情况进行分析，并及时做好沟通协调。
（1）、设计计算时计算连墙件的受力应考虑钻机在钻孔作业时所产生的冲击力。
（2）、在排架管理中应重点检查钻机周围扣件螺帽的紧固力。
（3）、在排架使用管理过程中，在钻机开孔前及钻孔结束后应对主节点的扣件进行检查，确保其没有出现裂纹或螺杆断裂的情况。
（4）、要求排架验收过程中重点关注安全带的配备情况，并在平时检查中将此作为一项重要工作进行。禁止出现交叉作业的作业班组在同一垂直高度开展施工作业，上方作业应做好底部防护并警戒到位，严禁上下抛掷工具。
（5）、施工用电是排架运行管理的另一个重点控制项目，在边坡支护施工中，由于钻机等施工机械在排架上频繁移动，极有可能导致电缆绝缘层损坏，致使电缆漏电造成电击伤害。因此，在排架上敷设电缆时应避开人员通行及钻机布设部位，并用绝缘材料将电缆与钢管进行绝缘处理，防止电击伤害。
参考资料
（1）《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）；
（2）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）。
（3）《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)
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