青山冲水库竖井满堂脚手架设计应用分析.pdf

DWRHE水利水电工程设计2023年第42 卷第3期15青山冲水库竖井满堂脚手架设计应用分析王星光于可忧摘要青山冲水库溢洪道竖井旋流泄洪洞混凝土二次衬砌满堂施工脚手架是超过一定规模的危险性较大的单项工程，具有操作空间小、满堂脚手架超高、操作平台荷载较大等特点。满堂脚手架搭设对后续二次衬砌混凝土浇筑、固结灌浆施工进度、质量、安全起着至关重要的作用。竖井满堂脚手架的设计应用分析有力解决了超过一定规模的危险性较大的圆形竖井脚手架施工难、操作难、安全隐患大等特点，为后续施工提供有力保障，具有一定的社会效益及推广价值。关键词竖井旋流泄洪洞满堂脚手架恒荷载活荷载安全保障中图分类号TV52文献标识码B文章编号1007-6980(2023)03-0015-041工程概况青山冲水库工程位于舞阳河左岸一级支流混寨河上，是一座以灌溉、供水为主的中型水利工程，坝址以上控制流域面积42.9 5 km，主河道长17.4km，河道平均比降19.7%o。青山冲水库主要由枢纽工程和输水工程组成。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程为446.40 m，最大坝高8 3.9 m，坝顶宽度6.5 m，坝顶全长2 46.0 m。水库特征指标：水库正常蓄水位443.50m，死水位39 0.0 0 m，设计洪水位444.7 2 m，校核洪水位445.2 7 m，总库容12 8 7 万m，兴利库容117 1万m。竖井旋流泄洪洞（以下简称“竖井”）由涡室段、渐变段、标准段、消能段等组成。其中涡室段直径11.0m，高度17 m，高程范围为446.40 42 9.40 m；渐变段内径由11.0 m渐变到8.0 m，高度10.0 m，高程范围为42 9.40 419.40 m；标准段内径8.0 m，衬砌厚度1.0 m，高41.40 m，高程范围为419.40 378.00m；消能段内径8.0 m，高8 m，高程范围为378.0370.0m，消能段底板厚度为1.5 m。竖井旋流泄洪洞二次衬砌均采用抗冲磨C40混凝土。竖井旋流泄洪洞剖面如图1所示，混凝土衬砌与脚手架相对关系如图2 所示。2竖井满堂脚手架设计及应用技术难点分析竖井满堂脚手架设计应用技术难点存在以下几方面：（1）竖井操作空间小。竖井标准段衬砌后直径为8 m，在满堂脚手架设计过程中应充分考虑操作混凝土二次衬砌提升式模板、卸料平台及上下各14.0446.407443.40圈梁1.0430.4022222323STO:1429.401:0.1520:1OOT-419.401.010101.08.01:10378.0008370.008.021.4竖井段泄洪洞压坡段图1竖井旋流泄洪洞剖面图（单位：m）0.3m混凝土衬砌4满堂脚手架图2混凝土衬砌与脚手架相对关系图层安全通道等空间问题，同时还应考虑施工材料吊-DWRHE水利水电工程设计2023年第42 卷第3期16装过程中操作人员临时躲避的安全区域，整体布局紧凑。（2）竖井满堂脚手架搭设超高且自重大。竖井满堂脚手架总高度7 7.9 m，架体随竖井混凝土二次衬砌进度逐层加高搭设，混凝土二次衬砌浇筑仓数直接决定了竖井满堂脚手架搭设层间隔及搭设层数，故竖井满堂脚手架搭设过程中自重会逐层增大。同时竖井满堂脚手架随着搭设高度增加，安全风险逐层增大，在竖井满堂脚手架设计过程中也应特别注意。（3）竖井满堂脚手架受力情况复杂。竖井满堂脚手架为一架三用型脚手架。其一，竖井满堂脚手架作为竖井混凝土二次衬砌操作平台承担着模板爬升、钢筋制安、模板加固、混凝土浇筑、模板拆除、混凝土养护、模板倒运等功能。其二，竖井满堂脚手架作为卸料平台承担着混凝土二次衬砌钢筋、竖井满堂脚手架钢管、混凝土浇筑所需振动设备设施等临时堆放功能。其三，竖井脚手架作为固结灌浆操作架承受较大振动荷载且振动荷载分布多方向、不规则、无规律等特点，脚手架设计过程中也应充分考虑。3竖井满堂脚手架设计分析为保障施工安全，避免发生安全生产事故，同时满足施工需要，结合项目实际情况，竖井混凝土二次衬砌满堂脚手架采用扣件式满堂脚手架。满堂脚手架搭设所需要的钢管、扣件、挑板等材料采用汽车吊吊运至满堂脚手架施工操作平台，并在施工操作平台的中部设置“之”字形安全通道供作业人员通行。竖井满堂脚手架底部架体坐落于竖井混凝土底板上，底板厚度为1.5 m，混凝土标号为C40混凝土；满堂脚手架搭设总高度为7 7.9 m，标准段及以下搭设直径为7.5 m，渐变段搭设直径由7.5 m渐变至11.5 m，涡室段搭设直径为11.5 m。为满足现场施工需求，立杆横、纵间距拟采用0.7 m，纵横向水平杆步距拟采用1.2 m。固结灌浆钻孔采用气动手风钻，作业层人员及设备荷载标准值取1.0 kPa计人材料堆放荷载中，可变荷载计人施工均布荷载中。竖井满堂脚手架荷载参数详见表1。竖井满堂脚手架计算采用品茗建筑安全计算软件（V12.0.0.20369）进行设计计算，方案如下。表1竖井满堂脚手架施工荷载参数表类型参数脚手架钢管类型48.3x3.6脚手板类型竹串片脚手板密目式安全立网自重标准值g4/kPa0.01材料堆放荷载gs/kPa4平台上的集中力F,/kN2钢管自重gi/(kN/m)0.04脚手板自重标准值g2k/kPa0.35立杆承受结构自重标准值g/（k N/m）0.162 1施工均布荷载q/kPa3立杆轴心集中力F,/kN2注：竖井旋流泄洪洞为地下竖向构筑物，故不考虑风荷载。方案一：根据表1施工荷载参数及施工需要，满堂脚手架采用单立杆、单扣件搭设，扣件抗滑移折减系数为0.8，立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点长0.2 m，立杆计算长度系数2.17 6，横、纵向钢管验算方式为三等跨连续梁。单立杆满堂脚手架平面如图3所示，单立杆满堂脚手架立面如图4所示。700700纵杆00L横杆立杆00L图3单立杆满堂脚手架平面图（单位：mm）700700700000一006纵杆横杆立杆图4单立杆满堂脚手架立面图（单位：mm）经验算，竖井满堂脚手架操作平台下部横向、纵向支撑钢管强度、挠度均满足要求；立杆地基承载17青山冲水库竖井氵手架设计应用分析王星光等力满足要求；立杆承重连接抗滑承载力和立杆轴心受压构件的稳定系数不满足要求，具体计算结果如下。立杆承重连接计算：单扣件抗滑移承载力Rc为8kN，扣件抗滑移折减系数0.8。Rc=8.0kNx0.8=6.4kN=205MPa，不满足要求，其中f为钢材的抗压强度设计值，查表取值。方案二：根据方案一计算结果，满堂脚手架立杆承重连接抗滑承载力和立杆轴心受压构件的稳定系数不满足要求，故针对前2 项进行设计优化，又因满堂脚手架平台立杆纵距、横距施工荷载为固定参数，无法进行优化，故本次优化方案采用双立杆及双扣件。双立杆杆件参数见表2。表2竖井满堂脚手架双立杆杆件参数表类型参数钢管类型48.3x3.6钢管的净截面A/cm?5.06立柱布置形式双立杆立杆计算长度系数2.176钢管截面回转半径icm1.59钢管抗压强度设计值/MPa205主立杆受力分配系数K0.6立杆承受结构自重标准值gk/（k N/m）0.162 1根据表1施工荷载参数、表2 双立杆钢管受力参数及施工需要，扣件抗滑移折减系数0.8，立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点长0.2 m，立杆计算长度系数2.17 6，横、纵向钢管验算方式为三等跨连续梁。双立杆满堂脚手架平面如图5 所示，双立杆满堂脚手架立面如图6 所示。700700L纵杆00L横杆双立杆00L图5双立杆满堂脚手架平面图（单位mm）700700700000006纵杆横杆000双立杆图6双立杆满堂脚手架立面图（单位mm）经验算，竖井满堂脚手架操作平台下部横向、纵向支撑钢管强度、挠度均满足要求；立杆地基承载力满足要求；立杆承重连接抗滑承载力和立杆轴心受压构件的稳定系数满足要求。优化后立杆承重连接抗滑承载力和立杆轴心受压构件的稳定系数计算结果如下。立杆承重连接计算：双扣件抗滑移承载力为12 kN，扣件抗滑移折减系数为0.8，双扣件抗滑承载力设计值：Rc=12.0kNx0.8=9.6kNR=7.32kN，满足要求。立轴心受压构件的稳定系数计算：Lo=kuh=1.2042.176x1200mm=3144mm；长细比入=L/i=3144mm/15.9mm=197.736；由入查表得到立杆的稳定系数$=0.186。不考虑风荷载时：=K,N/sA=0.629.772103N/(0.186x5.0610mm)=189.8 MPa=205 MPa，满以上接第14页）DWRHE2023年第42 卷第3期水利水电工程设计18足要求。4竖井满堂脚手架设计及施工应用重点分析竖井满堂脚手架设计方面：设计前应根据相关规范要求确定施工参数，恒荷载及活荷载取值应大于施工恒荷载、活荷载值；水平剪刀撑、竖向剪刀撑及连墙件在满足施工需求的同时，间距宜尽量缩小，架体底部承载基础应平整。若基础为斜面，应在混凝土二次衬砌浇筑时增加脚手架底部立杆支撑平台，满足满堂脚手架承载力要求；因本工程为竖井旋流泄洪洞，竖井空腔内无横向风，故不考虑风荷载，若为地上建筑物搭设脚手架设计，还应增加风荷载取值；满堂脚手架还需考虑随着脚手架层高加高后，增设操作平台下方及满堂脚手架底层的监测监控设备，测点应均匀布置。针对施工材料的输送、作业人员行走及逃生路线、安全措施等也应充分考虑；极端工况下，为保证架体整体稳定，设计时可增设主动卸荷措施，如吊拉卸荷等，确保设计方案安全可靠。竖井满堂脚手架应用方面：在脚手架搭设过程中要明确施工顺序及相应的工艺要求，专职安全员及相关施工作业人员要持证上岗，方案应进行安全技术交底并签字；施工过程中应对竖井周雨入渗影响，左壁已经出现面状渗水，炭质粉砂岩因含水增强、遇水崩解后，岩体抗剪强度急剧下降；受岩层、节理裂隙组合切割，构成倾向竖井内的潜在楔形体，沿层间软弱结构面向下滑动。3 结语（1）竖井围岩以凝灰质砂岩和炭质粉砂岩为主，多为软岩，单轴抗压强一般小于15 MPa，尤其是炭质粉砂岩，不仅岩石强度低，而且水理性质差，遇水软化崩解。左壁滑塌段高程为17 9.18 205.0m，围岩类别IVV 类，岩性以炭质粉砂岩为主，节理裂隙发育，相互切割，岩体片理化、碎裂化程度高，岩体遇水饱和后工程性状急剧下降。（2）岩层产状与竖井左壁夹角较小，受岩层、边环境进行管控，避免人员坠落，碎石掉落，造成安全事故。同时在施工前应明确安全撤离路线及保障措施，在施工材料输送过程中，施工作业人员应在安全区域等待，待材料降至操作平台后再行施作；雨季施工过程中应增设竖井口防雨、作业通风、基坑强排水、安全用电、应急通讯等措施，确保施工安全。5 结语青山冲水库竖井满堂脚手架已按设计方案及应用保障措施搭设完成，2 0 2 3年3月竖井旋流泄洪洞混凝土二次衬砌、固结灌浆施工已全部完工，竖井满堂脚手架作为施工操作架在施工过程中整体稳定，为工程顺利实施提供了有力保障，实现了设计方案中所有功能，未发现异常，具有一定的经济效益及推广价值。作者简介王星光男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222于可忧女工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222（收稿日期2023-06-10)节理裂隙相互切割，左壁存在不利结构面组合。（3）连续降雨，累计降水量40 7 0 mm，受降雨人渗影响，左壁已经出现面状渗水，炭质粉砂岩因含水增强、遇水崩解后，岩体抗剪强度急剧下降；最终导致竖井围岩从底部开始变形破坏，并逐步向上牵引加剧变形范围，最终形成现状跨塌规模。（4）对今后类似工程，建议加强井口便面排水设计及井壁一次支护的排水设计。作者简介于野男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222孙向东男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222（收稿日期2023-05-26)水定城以水定地以水定人以水定产