絕壁懸挑鉆探施工平臺(tái)研制

鄺光升，彭開林，龔建波，任柏橙

(重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 400700)

高邊坡和危巖治理中，錨桿錨索鉆孔需要搭設(shè)鉆探施工平臺(tái)，主要是搭設(shè)雙排或滿堂結(jié)構(gòu)的扣件式鋼管腳手架，通過連墻件與邊坡或巖體錨固防傾覆，通過設(shè)置縱橫向剪刀撐增加整體剛性，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文在無腳手架地面支撐基礎(chǔ)條件的懸崖絕壁，采用斜撐和錨拉結(jié)構(gòu)受力體系，利用斜撐桿和錨拉繩平衡垂直力，運(yùn)用鋼構(gòu)件與巖體的錨固力，平衡受力體系中離開巖體方向的水平分力，通過對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中的鉆探施工平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究出了便于施工的工藝方法。

1 問題的提出

巫峽綺麗幽深，以俊秀著稱天下?！叭f峰磅礴一江通，鎖鑰荊襄氣勢(shì)雄”是對(duì)巫峽的真實(shí)寫照，但陡峭的兩岸巖石也潛在著地質(zhì)災(zāi)害隱患，近年來發(fā)生的龔家坊危巖垮塌，約38萬方巖體高位垮塌，引起長(zhǎng)江近13 m高的涌浪，還有已治理的望霞危巖、即將治理的箭穿洞危巖等地災(zāi)隱患點(diǎn)，均威脅到長(zhǎng)江黃金水道的安全。通過對(duì)長(zhǎng)江干流兩岸地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了黃巖窩和板壁巖兩個(gè)特大型危巖帶穩(wěn)定性較差，直接威脅長(zhǎng)江航道安全，需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查，共布置了8個(gè)孔深約60 m的水平勘探孔，鉆孔位于三峽水庫(kù)高程為145～175 m的水位變動(dòng)帶，庫(kù)岸為近直立的灰?guī)r、泥灰?guī)r絕壁，上部距崖頂近200 m，下面是滾滾長(zhǎng)江水，設(shè)備人員只能通過船只到達(dá)勘探點(diǎn)下部，建立安全可靠的鉆探施工平臺(tái)是項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

項(xiàng)目部對(duì)現(xiàn)場(chǎng)踏勘后，提出了通過江上船只作為基礎(chǔ)搭設(shè)腳手架鉆探平臺(tái)，或通過江上浮吊加鉆探施工平臺(tái)吊籃的初步設(shè)想。經(jīng)論證，因江水有漲落加上過往船只產(chǎn)生涌浪，無法形成穩(wěn)定的平臺(tái)而否定，只能建設(shè)穩(wěn)定的鉆探施工平臺(tái)。

2 型鋼結(jié)構(gòu)懸挑平臺(tái)研制

2.1 鉆探平臺(tái)荷載和尺寸要求

鉆孔深度60 m，終孔直徑110 mm，選擇XY-1型鉆機(jī)，水泵和其他鉆探材料放在江面的施工躉船上，平臺(tái)上只放鉆機(jī)、鉆桿、巖心管、工具和少量材料，總荷載約1000 kg，平臺(tái)長(zhǎng)4 m，寬3 m。

2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

采用10號(hào)工字鋼作為鉆探平臺(tái)的主挑梁，工字鋼總長(zhǎng)5 m，外挑3 m，巖體內(nèi)錨固2 m，錨孔直徑200 mm，水平間距1 m，單平臺(tái)共用5根工字鋼梁，鉆探平臺(tái)滿鋪木板，并用鐵絲綁扎固定，臨空的三面搭設(shè)高度為1.2 m的防護(hù)欄桿。挑梁靠近外側(cè)向下方設(shè)支撐桿，支撐于下部腳手架鋼管的靠近巖體處，形成三角形受力支撐體系，上方設(shè)拉繩，拉于上部腳手架鋼管的靠近巖體處，形成三角形張拉受力體系，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕壁懸挑鉆探平臺(tái)示意

2.3 平臺(tái)施工方案

根據(jù)測(cè)量的孔位，先派人通過當(dāng)?shù)叵驅(qū)Э撤ス嗄拘藿ǖ男÷返竭_(dá)正上方的崖頂，通過安全裝置保護(hù)后對(duì)崖邊的浮石進(jìn)行清理，選好固定點(diǎn)，采用SRT單繩升降技術(shù)配套安全技術(shù)措施，利用人工從上到下對(duì)絕壁的浮石進(jìn)行清理，防止施工時(shí)絕壁上的松石落下傷人。

將設(shè)備材料和施工躉船送到孔位下方并用錨繩固定，用?50 mm電鉆或風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，將?48 mm×3 mm腳手架鋼管用加入早強(qiáng)劑的M30水泥砂漿錨固于巖體，鋼管長(zhǎng)2.5 m，鋼管跨距1 m，步距1.5 m，在鉆探平臺(tái)下方建設(shè)臨時(shí)施工平臺(tái)，進(jìn)行橫向的連接和下方的三角形支撐加固，上方用鋼絲繩通過鉆錨固點(diǎn)形成張拉受力。測(cè)量好錨孔位后采用膨脹螺栓固定水磨鉆機(jī)，施工?200 mm錨孔，孔深為2 m，在每根鋼梁上方均設(shè)置一個(gè)錨拉點(diǎn)，以便用提升裝置安裝鋼梁，采用儀器測(cè)量并固定好鋼梁后，對(duì)錨孔口進(jìn)行封堵，并埋入灌漿管和排氣管，采用加入早強(qiáng)劑和膨脹劑的M30水泥砂漿進(jìn)行錨固，懸挑梁安裝并錨固好后，搭設(shè)支撐桿和錨拉繩，平臺(tái)鋪50 mm厚木板，臨空面搭設(shè)防護(hù)欄桿等設(shè)施，平臺(tái)上方，通過腳手架鋼管鋪木板作防護(hù)篷，兩側(cè)和外方掛安全網(wǎng)。鉆探設(shè)備材料上平臺(tái)即可進(jìn)行鉆探作業(yè)，從躉船到鉆探平臺(tái)建設(shè)之字形人行步梯。

2.4 使用效果及存在問題

平臺(tái)建設(shè)好后，檢查驗(yàn)收合格，鉆機(jī)上架，安全順利地完成了一個(gè)62 m深勘查孔的鉆探工作，效果良好。

但該平臺(tái)建設(shè)也存在一些問題，主要是鉆探平臺(tái)需要施工?200 mm錨孔，工字鋼梁安裝難度較大，需要較高精度的測(cè)量控制安裝，施工周期長(zhǎng)。通過力學(xué)計(jì)算，安全冗余量過大，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，項(xiàng)目部提出了全部用腳手架鋼管搭設(shè)鉆探平臺(tái)的方案。

3 腳手架鋼管結(jié)構(gòu)懸挑平臺(tái)研制

3.1 腳手架鋼管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

(1)材料來源廣泛，?48 mm腳手架鋼管為建筑施工的通用材料，用途廣泛，可買可租，市場(chǎng)供應(yīng)充足。

(2)連接方便快速，通過直接頭、直角扣件，旋轉(zhuǎn)扣件與鋼管進(jìn)行縱橫向和斜向連接，組成各種方向和受力組合的連接，形成受力合理的組合結(jié)構(gòu)，除單孔的勘查鉆探平臺(tái)外，還可組成大面積的錨桿錨索施工鉆探平臺(tái)。

(3)錨固鉆孔直徑小，可用電鉆或風(fēng)鉆成孔，設(shè)備輕便，搭設(shè)時(shí)的安全保障性高，平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 腳手架鋼管懸挑鉆探平臺(tái)

3.2 力學(xué)驗(yàn)算

3.2.1 平臺(tái)水平鋼管受力假設(shè)

將鉆機(jī)和施工材料的重力通過木板均衡傳到平臺(tái)水平鋼管上，荷載最大的為鉆機(jī)部位，鉆機(jī)質(zhì)量510 kg，平均分配到3根水平鋼管上，每根承重170 kg，計(jì)算時(shí)將力集中于鋼管中間，與巖體連接點(diǎn)按鉸支座，水平鋼管與斜支撐鋼管連接點(diǎn)按滾動(dòng)支座，木板與鋼管自身重力忽略不計(jì)。

按簡(jiǎn)支梁計(jì)算剪力和彎矩，按斜撐梁計(jì)算水平拉力，鉆壓全部通過摩擦力傳到平臺(tái)水平鋼管上，水平拉力與鉆壓由鋼管與巖體的錨固力平衡。

只計(jì)算支撐受力體系，從平臺(tái)水平鋼管外端向上安裝鋼絲繩張拉受力體系可減少水平鋼管向外的拉力，作為增加的安全儲(chǔ)備。

3.2.2 彎矩和剪力計(jì)算

以1700 N荷載集中于3 m長(zhǎng)鋼管中點(diǎn)，計(jì)算出最大彎矩為1275 N·m，鋼管承受剪力為850 N。

彎矩引起的危險(xiǎn)截面在鋼管中點(diǎn)，計(jì)算?48 mm×3 mm鋼管抗彎截面模數(shù)W=4494，σ=Mmax/W=1275000/4494=283 MPa，許用應(yīng)力σp=600 MPa，鋼管強(qiáng)度足夠?？刹扇≡阢@機(jī)下面增加非錨固于巖體的水平鋼管提高抗彎安全系數(shù)。

鋼管截面積為423.9 mm2，查表抗剪強(qiáng)度為304～373 MPa，最小抗剪力為128 kN，鋼管強(qiáng)度足夠[5]。

3.2.3 垂直荷載產(chǎn)生水平分力計(jì)算(參見圖3)

圖3 水平鋼管受力分析圖

以斜撐鋼管45°方向支撐計(jì)算，鋼管承受的水平拉力為850 N，由鋼管與巖體的錨固力平衡。

3.2.4 鋼管錨固段長(zhǎng)度計(jì)算

選用《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10025—2006)中計(jì)算公式：

式中：la——錨固長(zhǎng)度，m；FS2——錨固體抗拉拔安全系數(shù)，F(xiàn)S2≥2.5；Pt——水平拉力，kN；dh——錨孔直徑，m；τ——錨孔壁與注漿體之間粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取1000 kPa。

實(shí)際應(yīng)用中，鉆探平臺(tái)層的鋼管錨固段采用1.0 m，非鉆探平臺(tái)層的鋼管錨固段長(zhǎng)度采用0.5 m。

3.3 合理的受力結(jié)構(gòu)組合

通過計(jì)算，確定了錨固段長(zhǎng)度等參數(shù)，為了提高安全系數(shù)，充分利用包括非平臺(tái)層在內(nèi)的每根鋼管與巖體的錨固力，鉆探平臺(tái)的合理組合十分重要。

3.3.1 提高水平桿錨固拉力安全系數(shù)措施

由于鉆探平臺(tái)采用斜撐結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生向外方向的水平分力，加上鉆壓需要的水平反力，必須由向內(nèi)的錨固力平衡，當(dāng)斜撐桿與水平方向夾角增大時(shí)，水平分力將減小，從下向上按1.5 m的步距建設(shè)非平臺(tái)層，鋼管長(zhǎng)2.5 m，錨固段0.5 m，如果在平臺(tái)下方兩步處設(shè)斜撐，其與水平方向夾角約為45°，即上述的計(jì)算參數(shù)，如果向下方三步處設(shè)斜撐，則其與水平方向夾角約為56°，水平分力將減小近1/3。且斜撐與中間兩步的水平鋼管采用旋轉(zhuǎn)扣件相連，非平臺(tái)層的水平鋼管可提供一定的錨固力。

在鉆探平臺(tái)上方設(shè)置錨拉固定點(diǎn)，通過鋼絲繩從平臺(tái)外側(cè)向上拉緊，可產(chǎn)生向內(nèi)的水平分力，平衡部分向外的水平分力，有利于提高水平桿錨固拉力的安全系數(shù)。

3.3.2 提高平臺(tái)整體剛度和安全防護(hù)措施

用鋼管和扣件將每跨、每步鋼管進(jìn)行縱橫向連接，按腳手架規(guī)范設(shè)置縱橫向剪刀撐提高平臺(tái)整體剛度。

平臺(tái)上方滿鋪木板防巖面小掉塊，平臺(tái)外掛密目安全網(wǎng)，層間按規(guī)范設(shè)置水平兜網(wǎng)，從下方向平臺(tái)搭設(shè)之字形的人行步梯。

3.3.3 提高平臺(tái)抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)措施

平臺(tái)荷載集中區(qū)為鉆機(jī)部位，向巖體內(nèi)錨固的水平鋼管間距為1 m，在鉆機(jī)部位增加非錨固的水平鋼管，在每?jī)筛^固鋼管間另增加兩根平行方向水平鋼管提高抗彎安全系數(shù)。

4 搭設(shè)和拆除的關(guān)鍵點(diǎn)

絕壁懸挑鉆探平臺(tái)平衡力的來源均為巖體提供的支撐力的錨固力，錨固的施工質(zhì)量是平臺(tái)安全的關(guān)鍵。采取了錨孔以一定角度向下傾斜，錨孔完成后用清水洗孔并用壓縮空氣吹干，錨固段鋼管內(nèi)部提前充填水泥砂漿成為實(shí)芯鋼管，控制好M30水泥砂漿的水灰比，加入早強(qiáng)劑和膨脹劑，錨孔采用先填入水泥砂漿后插入鋼管并擠實(shí)。拆除順序與搭設(shè)順序相反，水平桿采取切割拆除。

5 結(jié)論和建議

本次實(shí)施的8個(gè)勘探鉆孔均采用懸挑平臺(tái)，第一個(gè)平臺(tái)采用型鋼結(jié)構(gòu)，配合鋼管結(jié)構(gòu)作安全防護(hù)，其余平臺(tái)采用優(yōu)化后的腳手架鋼管結(jié)構(gòu)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)牢固，安全防護(hù)措施到位，圓滿完成了全部勘查任務(wù)。

通過本次研究，為今后類似無地面支撐基礎(chǔ)條件的施工腳手架平臺(tái)尋找到了解決方案，可應(yīng)用到類似工程條件危巖治理的錨桿錨索等鉆探平臺(tái)建設(shè)。但在具體工程中，應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)荷載計(jì)算所需錨固力，通過錨固試驗(yàn)確定最低錨固長(zhǎng)度，以確保平臺(tái)安全。

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[2] TB 10025—2006，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

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