阿爾塔什面板壩高邊坡支護(hù)腳手架的設(shè)計及應(yīng)用

余 義 保， 梁 擁 安， 石 良 波

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性工程，是該梯級規(guī)劃“兩庫十四級”中的第十一個梯級。樞紐擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂寬12 m,壩長795 m，最大壩高164.8 m。工程承擔(dān)防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)。水庫總庫容為22.49億m3，正常蓄水 位高程1 820 m，最大壩高164.8 m，裝機(jī)容量為755 MW，為大(1)型Ⅰ等工程。

前期地質(zhì)資料顯示：壩址右岸山體寬厚，岸坡走向近EW向，基巖裸露，坡高565～610 m，岸坡自然坡度在1 960 m高程以下為50°～55°；以上為75°～80°，局部陡立，自然邊坡整體穩(wěn)定。但根據(jù)對右岸高邊坡支護(hù)區(qū)域?qū)嶋H地形的勘測，高程1 826 m以上的大部分邊坡接近75°～80°，局部接近90°且局部呈倒懸狀。巖性為薄層灰?guī)r、巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、石英砂巖及泥頁巖。

工程存在的主要難點(diǎn)及特點(diǎn)：

(1)地形條件復(fù)雜。右岸高邊坡自然坡度較陡，高程1 826 m以上大部分邊坡坡度接近75°～80°，局部接近90°且局部呈倒懸狀。支護(hù)施工區(qū)域范圍為高程1 664～2 230 m，高566 m，上下游長度約500 m。

(2)地質(zhì)條件復(fù)雜。專題研究結(jié)果表明，邊坡不存在整體穩(wěn)定問題，但邊坡分布有多處分散型危巖體以及邊坡表面的淺層卸荷體，施工前期對施工區(qū)域內(nèi)的危巖體進(jìn)行了統(tǒng)一開挖處理，但仍有部分潛在危巖體存在。

(3)施工通行條件差。右岸高邊坡支護(hù)范圍屬于自然邊坡，坡陡、巖石裸露且破碎，施工區(qū)域的道路除壩頂交通洞出口修建的長約300 m、寬3 m的臨時施工便道外，其余人員及材料的運(yùn)輸通道需依靠施工期間新建的臨時施工棧道通行。

(4)安全風(fēng)險高。受右岸高邊坡地形地貌條件、表層巖體強(qiáng)風(fēng)化特點(diǎn)以及阿爾塔什大壩工程所在區(qū)域的自然條件等因素影響，右岸高邊坡每年6～9月易出現(xiàn)掉塊、掉渣、沖溝洪水(攜帶小量的沖洪積)等現(xiàn)象，且因同時存在多個施工區(qū)域施工，空間上存在不可避免的交叉施工干擾，可能會存在物體打擊傷害。

(5)施工作業(yè)項目。

①錨索布置：在右岸高邊坡高程1 860～1 910 m處布置2 000 kN的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間排距為5 m×5 m，錨索長30 m、35 m，間錯布置。

②斷層封閉：對壩軸線上游至河床趾板處出露的F9斷層采用C25混凝土塞封閉和注漿。

③高邊坡噴錨支護(hù)：1 820～2 230 m高程范圍內(nèi)掛網(wǎng)噴護(hù)。

2 高陡邊坡支護(hù)腳手架的設(shè)計及方案研究

阿爾塔什大壩工程右岸高邊坡的實(shí)際情況表明：支護(hù)區(qū)域存在高、陡、巖層破碎、支護(hù)區(qū)域廣且大部為原始自然邊坡等情況，考慮到腳手架搭設(shè)存在的基礎(chǔ)破碎、連墻件連接不牢固、部分坡面高陡等問題，腳手架搭設(shè)方案在設(shè)計階段充分分析并研究了右岸高邊坡存在的問題，最終確定腳手架搭設(shè)方式為落地式腳手架及懸挑式腳手架搭設(shè)兩種方式結(jié)合，根據(jù)不同的地形地質(zhì)條件選用腳手架搭設(shè)形式。

2.1 落地式腳手架

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形特征，右岸高邊坡支護(hù)的部分區(qū)域坡度較緩，2 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索施工區(qū)域下部還有一條臨時施工便道且局部山體自然坡面較緩、趾板邊坡支護(hù)區(qū)域下部有趾板開挖面，施工過程中能有效利用自然存在的緩坡、緩臺作為腳手架搭設(shè)基礎(chǔ)。但受右岸高邊坡山體表層無植被覆蓋，常年風(fēng)大、空氣干燥等情況影響，其表層巖石破碎、裂隙發(fā)育、腳手架連墻件功能受限等因素，腳手架設(shè)計時必須充分考慮上述不利因素，在剛性連墻件基礎(chǔ)上局部增設(shè)柔性連墻件。

(1)材料的選擇。選用工程項目中的常規(guī)材料，鋼管選用直徑48 mm，厚3.5 mm的Q235焊接鋼管。鋼管連接用的扣件選用安全系數(shù)較高的沖壓型扣件，其標(biāo)準(zhǔn)值為65 N·m 。通道及層間防護(hù)采用竹夾板，竹夾板選用3年以上的老竹制作、剝削均勻、螺桿捆扎緊密的合格品。連墻件采用Φ25螺紋鋼筋作為插筋錨桿、φ10～12圓鋼作為拉筋(柔性連墻件)，立桿采用Φ28螺紋鋼作為插筋，質(zhì)量滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(2)腳手架結(jié)構(gòu)。腳手架為2步3跨布置，立桿步距采用1.6 m，立桿橫向間距為1.5 m，立桿縱向間距為1.5 m；搭設(shè)采用φ48×3.5 mm鋼管，結(jié)構(gòu)為三排，最內(nèi)側(cè)的立桿距巖面為0.3～0.5 m，當(dāng)其超過時需增設(shè)立桿，其橫向搭建寬度不小于3 m，縱向的長度依據(jù)錨索孔的坐標(biāo)和現(xiàn)場施工情況而定。

連墻件采用柔性和剛性兩類形式結(jié)合的方式布置。剛性連墻件采用Φ25螺紋鋼，長1.5 m、入巖1.1 m、外露0.4 m，45°角設(shè)置，插筋上套鋼管，用扣件與主腳手架立桿連接牢靠。對巖層破碎部位增設(shè)柔性連墻件(圖1)。

圖1 落地式腳手架結(jié)構(gòu)示意圖

剪刀撐沿縱向連續(xù)布置，水平和橫向均采用間隔6 m布置。

(3)受力計算及分析。為保障50 m落地式腳手架在實(shí)際施工使用過程中的安全性，根據(jù)腳手架設(shè)計參數(shù)，結(jié)合實(shí)際工況，施工作業(yè)按照縱向20 m腳手架范圍同時作業(yè)1層，作業(yè)層鋪設(shè)木板，布置2臺錨索鉆機(jī)。該范圍同時施工作業(yè)的施工人員為20人，布置哈邁70A鉆機(jī)2臺。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130-2011)要求，進(jìn)行了常規(guī)受力分析，同時利用Midas civil 2015結(jié)構(gòu)有限元計算軟件對腳手架進(jìn)行了模擬驗算，兩種計算結(jié)果顯示：50 m落地式腳手架能夠滿足設(shè)計要求。

(4)腳手架結(jié)構(gòu)有限元驗算。在軟件中定義材料的性質(zhì)、截面形狀，進(jìn)行三維建模。模型建成后添加邊界條件：底層約束為固端約束，每個卸荷層和邊坡接觸的立桿端約束為固定鉸鏈約束，自重以恒荷載方式添加，將均布荷載添加方式簡化為單元的均勻荷載；集中荷載簡化添加到節(jié)點(diǎn)荷載上，均布和集中荷載均為活荷載。運(yùn)用軟件進(jìn)行分析計算后得到以下結(jié)果：

①反力。支座最大反力為13.2 kN。依據(jù)試驗結(jié)果，錨桿的抗拉壓力為100 kN，滿足要求，最大反力位于第三卸荷層、集中荷載的正下方。

②位移。最大變形位移為fmax=3.5 mm <[f]=L/400 =3.7 mm，滿足要求，其位于頂層單元均布荷載和集中荷載施加處。

③內(nèi)力。最大剪力為2.4 kN，滿足要求。Z方向的最大彎矩為0.42 kN·m，滿足要求。

④應(yīng)力。最大組合應(yīng)力σmax=152 MPa <[σ]= 205 MPa，滿足要求，其位于頂層的均布荷載和集中荷載的共同作用單元上。

⑤基巖的承載力。腳手架搭設(shè)的基礎(chǔ)面為巖石基礎(chǔ)，本項目計算的最大反力為13.1 kN，地基承載力為400 kN/m2，地基承載力處于穩(wěn)定狀態(tài)。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，巖石基礎(chǔ)在保證立桿底座與基底均勻傳遞承載的情況下滿足穩(wěn)定要求。卸荷層采用φ25、L=3 m的砂漿錨桿，將腳手架鋼管與錨桿焊接固定為整體，其砂漿錨桿的拉拔力為100 kN，采用M25砂漿，滿足腳手架卸荷要求。

⑥整體穩(wěn)定性分析。進(jìn)行了屈曲分析。腳手架的第一模態(tài)屈曲系數(shù)為8.27 > 4，整體穩(wěn)定滿足要求；臨界破壞時頂層集中荷載作用下的桿件單元最先屈服。

通過對50 m高邊坡支護(hù)腳手架進(jìn)行設(shè)計與結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，采用Midas civil結(jié)構(gòu)計算軟件建立三維空間模型進(jìn)行有限元分析，根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130-2011)要求進(jìn)行的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算得到的最大應(yīng)力為145 MPa，最大反力為12.4 kN；有限元計算結(jié)果為152 MPa和13.2 kN，兩者相差不大，其立桿、橫桿的應(yīng)力、剪應(yīng)力、變形分析結(jié)果滿足規(guī)范要求，整體穩(wěn)定性驗算亦滿足規(guī)范要求。

2.2 型鋼懸挑式腳手架

根據(jù)地質(zhì)條件描述并結(jié)合現(xiàn)場勘察情況得知：右岸高邊坡岸坡的自然坡度在1 960 m高程以下為50°～55°，以上為75°～80°，局部陡立且部分巖面呈倒懸狀，如采取落地式腳手架搭設(shè)，腳手架的搭設(shè)高度將超過規(guī)范允許的50 m要求。目前不只是國內(nèi)，國際規(guī)范規(guī)定的腳手架搭設(shè)高度均未高于50 m。鑒于W19(20)預(yù)應(yīng)力錨索施工及以上部分施工區(qū)域坡面平順、陡峭且支護(hù)區(qū)域高，經(jīng)多次現(xiàn)場勘查及論證并結(jié)合右岸高邊坡的實(shí)際地形、地質(zhì)條件，最終將該區(qū)域施工腳手架確定為型鋼懸挑式腳手架搭設(shè)形式。

(1)材料的選擇。型鋼懸挑式腳手架所用管材、扣件、插筋與落地式腳手架一致，型鋼懸挑部分的材料選用國標(biāo)12#槽鋼為三角支撐主材，桿件采用50 mm×50 mm角鋼。為了增強(qiáng)型鋼平臺的整體穩(wěn)定性，各榀三角支撐架之間采用8#槽鋼進(jìn)行牢固連接，所用材料質(zhì)量必須滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

(2)腳手架結(jié)構(gòu)。本工程腳手架型鋼基礎(chǔ)的主體是一種三角形懸挑承重結(jié)構(gòu)，將其每榀鋼結(jié)構(gòu)均牢固固定于邊坡上，然后將各榀相互之間采用桿件進(jìn)行可靠連接而成連續(xù)懸挑型結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)的主要受力部位為水平桿及起主要支撐作用的斜桿。對于這兩個重要的受力部件，主要采用2根12#槽鋼焊接而成。為了增強(qiáng)三角支撐部件的整體承重能力，采用Φ28螺紋鋼，入巖1.1 m、外露0.4 m與槽鋼焊接連接，三角支撐內(nèi)部區(qū)域采用小型桿件作為腹桿，桿件采用50 mm×50 mm角鋼。為增強(qiáng)型鋼平臺的整體穩(wěn)定性，各榀三角支撐架之間采用槽鋼進(jìn)行牢固連接，連接桿件上部滿鋪4 mm厚的花紋鋼板，兩榀三角支撐架之間的間距設(shè)計為1.5 m(與腳手架間排距相同)，基礎(chǔ)寬度為3 m。腳手架搭設(shè)在該平臺上，腳手架搭設(shè)的最大高度按20 m計，采用三排腳手架搭設(shè)型式，間排距為1.5 m×1.5 m，步距1.5 m，連墻件按兩步三跨設(shè)置，采用φ25鋼筋，入巖1.1 m，外露0.4 m；腳手架部分連墻件、剪刀撐的搭設(shè)要求參照落地式腳手架搭設(shè)(圖2、3)。

圖2 型鋼三角結(jié)構(gòu)示意圖

(3)受力計算。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工規(guī)劃布置及施工工況，腳手架搭設(shè)的最大高度按20 m計，采用三排腳手架搭設(shè)型式，間排距1.5 m×1.5 m，步距1.5 m，連墻件按兩步三跨設(shè)置，造孔采用100B潛孔鉆，單個作業(yè)面施工人員為3人，混凝土運(yùn)輸采用手推車由兩人輔助等。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130-2011)要求，采用常規(guī)受力計算對腳手架進(jìn)行了分析，其結(jié)果滿足規(guī)范要求(常規(guī)受力計算不在此敘述)。

3 施工應(yīng)用

3.1 安全隱患排查

對于右岸高邊坡危巖體的支護(hù)施工，隨開挖過程自上而下對危巖體進(jìn)行了開挖及浮渣全面清理，但仍存在局部未清理干凈、邊坡開挖擾動次生危巖體、自然邊坡破碎表層浮渣、未明確的危巖體、浮渣、危石等情況。在高邊坡腳手架施工作業(yè)前，必須對整個施工區(qū)域及影響區(qū)域進(jìn)行全面排查、清理。

高邊坡自然山體山勢復(fù)雜，除部分前期危巖體開挖處理過程中形成的人行棧道可以通行外，其余部位人員通行較為困難，安全風(fēng)險較大，排查過程中采取了人工+高清無人機(jī)方式進(jìn)行排查。

(1)人工排查。人員沿右岸高邊坡危巖體處理形成的縱橫、多條人行棧道自上而下進(jìn)行實(shí)地排查，并由技術(shù)人員在圖紙、圖片上標(biāo)明隱患所處位置、風(fēng)險程度、工程量等信息。

(2)高清無人機(jī)排查。利用現(xiàn)代科技化手段，選用高清無人機(jī)沿山體貼近飛行，對發(fā)現(xiàn)的隱患點(diǎn)由無人機(jī)視頻上反映出的的飛行高度、距離等信息推算出隱患點(diǎn)的位置信息、工程量、風(fēng)險程度并在圖紙、圖片上標(biāo)識、記錄，拍照儲存，以便于再度分析確認(rèn)、對比。

(3)信息匯總及處理。綜合人工、高清無人機(jī)信息確定隱患處理的先后、緩急順序，對于存在施工擾動誘因的隱患點(diǎn)在腳手架施工前必須進(jìn)行徹底清除。

3.2 腳手架施工

右岸高邊坡支護(hù)腳手架按照《右岸高邊坡50 m支護(hù)腳手架施工方案》及《型鋼懸挑式腳手架施工方案》明確的立桿間距、跨度、搭設(shè)高度、掃地桿、插筋、剪刀撐、連墻件等參數(shù)進(jìn)行施工作業(yè)，并對實(shí)際施工過程中發(fā)生的特殊部位采取加固措施進(jìn)行處理。

4 結(jié) 語

阿爾塔什大壩工程右岸600 m級高邊坡支護(hù)腳手架的施工運(yùn)用，在充分分析了解施工區(qū)域地形、地質(zhì)條件、自然條件、惡劣極端氣候等不利因素的前提下，結(jié)合其他工程常規(guī)高邊坡施工工藝特點(diǎn)，根據(jù)不同工況，優(yōu)化制定了不同的施工腳手架搭設(shè)方案，有效提高了施工進(jìn)度，施工過程的安全得到了最大程度的保障，希望所取得的經(jīng)驗?zāi)軐ζ渌愃乒こ添椖扛叨高吰碌氖┕ぬ幚砥鸬揭欢ǖ慕梃b作用。