超高陡边坡加固用钢管脚手架的设计与应用

刘宝奎 张治平 夏志雄 杨诗源

铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳518034

扣件式钢管脚手架因加工简单、安装拆卸方便和施工便捷，在建筑、边坡加固工程中得到广泛应用［1］。JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定，敞开式满堂脚手架高度不应超过36 m，而超高陡边坡加固用脚手架的搭设高度须超过规范值才能满足需要。对于高脚手架的设计，残余应力、初偏心、初弯曲、节点刚性等因素对计算结果影响很大［2-5］，荷载也不仅仅是施工人员、模板和架体的重量，还要考虑材料运输、施工中的荷载［6-7］。

以往对脚手架的研究主要集中于房屋建筑方面［8-10］，对于超高陡边坡加固用脚手架研究极少。本文针对坡度超过80°的铁路超高陡边坡加固中搭设高度超百米的脚手架，采用分级、分离式工字钢悬挑结构，并在渝怀（重庆—怀化）铁路超高陡边坡上应用，验证其效果。

1 超高陡边坡加固用脚手架的设计

1.1 设计难题

①脚手架整体高度超过规范值，计算方法没有经验可参考；②边坡高度超过百米，坡度超过80°，脚手架的立杆基础须单独考虑；③高陡边坡不可避免出现危岩，脚手架须适用于危岩段；④架子高且非房屋建筑上封闭式脚手架，其两端是敞开的，整体性差，受风荷载影响大；⑤架体的载重大，设计时须考虑各种荷载，并采取必要措施减小荷载；⑥须考虑现场施工的可行性和脚手架的稳定性。

1.2 结构设计

脚手架的设计既要满足施工需要又要具有可操作性，既要整体安全稳定又要施工便捷。充分考虑脚手架设计难题和应具备的功能，采用分级、分离式悬挑结构。脚手架主要由悬挑平台和架体组成。悬挑平台采用工字钢制作，架体采用钢管搭接，如图1所示。分级高度21 m，上下两级之间完全分离。脚手架立杆的横向间距1.0 m，纵向间距1.5 m，步距1.5 m。

图1 脚手架断面（单位：mm）

1）悬挑平台的设计

综合考虑各种因素，最终选用2根12#工字钢制作悬挑平台，一根水平，另一根倾斜，倾斜角度尽可能大些，受钻机施工影响很难超过30°。实际上因为角度太大，不仅施工难度大，而且斜向工字钢太长整体稳定性差。工字钢的锚固段、嵌固段钻孔注纯水泥浆。现有小型钻机的钻孔直径很难超过180 mm。悬挑水平工字钢采用8#槽钢（开口朝上）通长布置满焊连接，槽钢间距和脚手架立杆纵向间距一致，确保脚手架立杆能坐落在工字钢和槽钢的交叉部位，并立在槽钢内部。这样既能满足架体稳定性需要，又能限制脚手架立杆的移动空间。

2）立杆排数的选择

正常情况下需要3排立杆，坡度较大或近直立时需要4排，主要是满足脚手架的功能需要，同时考虑经济性。

3）坡面脚手架立杆基础的设计

陡立坡面脚手架立杆的基础采用斜向钢锚管制作而成，通过设置双立杆和大横杆的方式进行连接；斜向钢锚管与大横杆连接，2根立杆分立于斜向钢锚管的两侧。

4）连墙件的设计

连墙件通过斜向钻孔，插入钢管并注纯水泥浆的方式形成，其与小横杆采用扣件连接。

5）安全储备的设计

φ16斜拉钢丝绳一端设置在钻孔中，另一端设置在悬挑平台的端部，起到限制悬挑平台端部变形，进而增加悬挑结构整体稳定性的作用。其仅作为安全储备，计算时不予考虑。

对于超高陡边坡加固用脚手架，风荷载是必须考虑的因素。为尽可能降低风荷载的影响，设计时脚手架最外侧未按规范要求布置密目安全网，而是采用安全立网。

1.3 直立段、危岩段脚手架的设计

对于直立段边坡，若脚手架仍采用3排立杆无法满足其功能需要。对于不能清除的危岩，必须在其上部加固施工时，脚手架的悬挑平台不能直接设置在危岩上。对直立段、危岩段脚手架应特殊设计，具体如图2所示。

图2 特殊地段脚手架设计（单位：mm）

2 数值模拟

2.1 模型的建立

采用MIDAS软件建立计算模型（图3），对脚手架的安全性进行验算。脚手架长45 m，高21 m，立杆步距1.5 m，横向间距1.0 m，纵向间距分为1.25、1.50 m两种。立杆底部按铰接处理。纵杆端部按自由约束处理。对于小横杆端部的约束处理如下：①连接连墙件的小横杆的杆端按铰接约束处理；②未连接连墙件的小横杆的杆端按自由约束处理；③所有立杆和横杆节点处均设置纵杆，除端部节点外，内部节点按刚接处理。

图3 悬挑脚手架计算模型

2.2 荷载传递路径、类型及取值

1）荷载传递路径

荷载传递路径为脚手板→纵向水平杆（大横杆）→横向水平杆（小横杆）→立杆→工字钢。

2）荷载类型和取值

①永久荷载

一般情况下应选择钢管外径48.3 mm，壁厚3.5 mm的钢管，考虑到实际使用中钢管的外径和壁厚均不能得到保证，设计计算时钢管外径取48 mm，壁厚取3 mm，重量取39.7 N/m。永久荷载以线荷载形式施加。杆件、直角扣件和对接扣件总重49.98 N/m，栏杆和挡脚板总重171 N/m，安全网重20 N/m。

②施工荷载

每级脚手架的作业层只允许1层，禁止多层作业。按照JGJ 130—2011每个作业层施工荷载取3 kN/m2。

③风荷载

脚手架的外侧挂安全立网。按照JGJ 130—2011计算风荷载标准值wk，计算公式为

式中：uz为风压高度变化系数；μs为风荷载体型系数；w0为基本风压，kN/m2。

2.3 工况设置

根据坡度和脚手架立杆纵向间距的不同，分为4种工况，分别建立模型进行计算和分析。

工况1：坡面坡度83°，纵向间距1.25 m；

工况2：坡面坡度83°，纵向间距1.50 m；

工况3：坡面直立，纵向间距1.25 m；

工况4：坡面直立，纵向间距1.50 m。

2.4 荷载效应组合

按JGJ 130—2011第4.3.1条考虑荷载效应组合。

组合1：永久荷载+施工荷载；

组合2：永久荷载+0.9×（施工荷载+风荷载）；

组合3：1.2×永久荷载+1.4×施工荷载；

组合4：1.2×永久荷载+0.9×1.4×（施工荷载+风荷载）。

2.5 计算结果

脚手架受力的数值计算结果见表1。可见，各工况不同荷载效应组合下，除了连墙件的承载力，其他各项参数均在容许值以内，其安全性满足规范要求。连墙件的承载力须通过现场试验确定其具体锚固长度，以确保其承载力满足设计要求。

表1 脚手架受力的数值计算结果

3 现场试验

3.1 试验平台及监测点布置

试验平台长18 m，高15 m。悬挑工字钢间距1.5 m；脚手架立杆纵向间距1.5 m，横向间距1.0 m，步距按1.2、1.8 m间隔布置。监测断面和位移监测点布置见图4。位移监测点分为纵向、水平和竖向三种。本文以水平工字钢竖向监测点PS-1—PS-4、斜向工字钢竖向监测点XS-1为例分析监测结果。平台搭设及测试仪器安装见图5。

图4 监测断面和位移监测点布置（单位：cm）

图5 平台搭设及测试仪器安装

3.2 监测结果

采用成捆的钢管施加竖向均布荷载。断面2工字钢的竖向位移随荷载变化曲线见图6。

图6 断面2工字钢的竖向位移随荷载变化曲线

由图6可见：①脚手架工字钢的竖向位移随施加荷载的增大而增大。②水平工字钢的竖向位移明显大于斜向工字钢。③水平工字钢两端的竖向位移（PS-1、PS-4）小于中间部位（PS-2、PS-3），说明中间部位受荷载作用更明显。④荷载为155 kN时最大竖向位移为7.36 mm。此时脚手架未发生破坏，结构安全稳定。

4 工程应用

4.1 工程概况

边坡位于渝怀铁路武隆段一山体上部，加固长度约210 m，高度65～130 m，边坡坡度83°，部分地段近直立，见图7。边坡岩性为三叠系嘉陵江组（T1j）灰岩，弱风化，深灰色，隐晶质结构，中厚层状，含少量燧石团块，间夹薄层生物碎屑，岩质坚硬。

图7 边坡原貌（单位：m）

4.2 边坡加固方案和悬挑脚手架设计

边坡采用双锚固锚索框架和预应力锚杆框架加固，具体方案见图8。

图8 边坡加固方案（单位：m）

针对边坡加固需要对脚手架进行了设计，具体见图9。悬挑平台采用2根12#工字钢现场焊接而成，其锚固段、嵌固段钻孔直径均为180 mm，采用纯水泥浆浇注。脚手架沿边坡高度分层布置，同一层的脚手架通长布置，形成整体结构。脚手架每层高21 m，层高超过21 m时，再设置1层。脚手架宽：直立段不小于3.5 m，陡坡段不小于2.5 m。立杆的歩距1.5 m，纵向间距1.5 m，横向间距1.0 m。坡面立杆采用双立杆，主杆通长布置，副杆长6 m。连墙件采用二步二跨。脚手架的外侧立面采用剪刀撑防护。防护网采用安全立网。施工现场见图10。

图9 边坡中脚手架的布置（单位：m）

图10 脚手架施工现场

4.3 边坡加固效果

分级、分离式悬挑脚手架能满足超高陡边坡加固需要。现场施工过程中脚手架承受住了施工荷载和风荷载的检验，结构安全稳定。

5 结论和建议

1）采用分级、分离式悬挑脚手架设计，突破了边坡加固工程高度和坡度的限制。虽然分级又分离，但在同一层上悬挑平台通过槽钢连接成一个整体。若有条件可将悬挑架手架的斜向工字钢也连接在一起，增加脚手架的整体稳定性。

2）搭设高度21 m，立杆步距1.5 m、纵向间距1.5 m、横向间距1.0 m时，在满足安全储备的前提下脚手架结构体系的受力已接近极限承载力。为提高承载力，须采取增设双立杆、斜拉钢丝绳、剪刀撑等措施。

3）本设计中斜拉钢丝绳仅作为安全储备，因为在21 m高度范围内施工难免出现临时双层荷载或荷载超限的情况，同时架体搭设太高，一旦出现险情后果严重。此外，悬挑平台的水平度要求非常高，斜拉钢丝绳可增加悬挑平台的水平度，从而增加脚手架的整体稳定性。

4）脚手架立杆的下端坐落在8#槽钢内，便于应力调整，避免固定端出现应力集中现象。

5）脚手架的外挂网采用安全立网而不是密目安全网，显著降低了风荷载的影响。

6）设计前，悬挑平台锚固、嵌固深度和连墙件的锚固长度须进行现场试验，获取承载力等相关参数。若不能及时试验，正式施工前须进行相关试验验证设计的可行性。

7）当脚手架发生一定的倾斜或变形时其可靠度会显著降低。若出现该情况，应对脚手架结构及时予以调整，满足规范要求后方可继续使用。