標準化可移動式吊籃在明挖隧道中的設(shè)計與應(yīng)用

時遠東，張培聰，陳建飛，王華永，朱小青，賈 慧

（1. 中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450003；2. 鄭州大學(xué)綜合設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450002）

1 工程概況

某隧道工程有明挖段約10km，隧道采用雙孔矩形鋼筋砼整體箱涵結(jié)構(gòu)，隧道凈高為7.2m，隧道主體外防水采用外貼防水卷材形式。隧道側(cè)墻頂距離底部高度約為9.6～10.5m。

傳統(tǒng)的側(cè)墻防水工程施工方法多采用拼搭腳手架或設(shè)置高處作業(yè)吊籃，這2種方法均需不斷重復(fù)拆卸和拼裝工作，較為繁瑣。本工程側(cè)墻較高，如采用傳統(tǒng)作業(yè)方法，不僅不利于現(xiàn)場施工，也會延長工期。為了提高工效，降低時間成本，特研發(fā)可移動式吊籃進行側(cè)墻防水施工。

2 可移動式吊籃設(shè)計

2.1 吊籃工藝設(shè)計

可移動式吊籃由上部懸掛結(jié)構(gòu)和下部吊籃兩大部分組成。施工時預(yù)制2個可移動式吊籃，分別放置于防水施工段隧道頂板的東西側(cè)。下部吊籃懸掛于上部懸掛結(jié)構(gòu)上，上部懸掛結(jié)構(gòu)下方設(shè)有滑輪，控制下部吊籃移動。

上部懸掛結(jié)構(gòu)橫梁采用16#工字鋼，懸掛橫梁前后力臂長分別為1.5m和4.5m；每根懸掛橫梁上設(shè)置拉繩來加強懸掛橫梁的強度和剛度，拉繩采用2根Φ14的鋼絲繩，在后支點附近設(shè)置法蘭用于調(diào)節(jié)鋼絲繩松緊程度；支撐懸掛橫梁和拉繩的立桿采用Φ48.3mm×3.6mm鋼管，立桿與懸掛橫梁采用圓周焊進行連接，下部立桿的連接采用相同方法；懸掛橫梁加強筋采用20的鋼筋，加強筋與橫梁及立桿焊接；配重采用1.0m×0.2m×0.3m的C20預(yù)制混凝土塊，共6塊，配重重量為853.2kg，均衡放置于懸掛橫梁尾部的配重放置欄中；支撐懸掛橫梁的立桿下方共設(shè)置滑輪6個。

下部吊籃主骨架、剪刀撐及護欄均采用Φ48.3mm×3.6mm鋼管，外側(cè)主骨架立桿采用雙立桿，內(nèi)側(cè)主骨架立桿為單立桿，外側(cè)架體每隔1.3m加設(shè)1根立桿，各構(gòu)件之間采用扣件連接；吊籃整體尺寸為高8.3m×寬0.7m×長5.2m，外掛密目式阻燃安全網(wǎng)（規(guī)格為2000目/100cm2），自下而上步距為2m；共設(shè)4個作業(yè)平臺，平臺內(nèi)鋪設(shè)鋼板網(wǎng)跳板（鋼板網(wǎng)跳板市場采購，規(guī)格為5200mm×600mm）；每個作業(yè)平臺內(nèi)均設(shè)置防護欄桿，欄桿采用Φ48.3mm×3.6mm鋼管，距離平臺底面1.2m；每個作業(yè)平臺內(nèi)設(shè)1個爬梯，爬梯設(shè)在架體正中間。另外，設(shè)置安全繩，連接固定在施工時隧道頂板預(yù)留的吊環(huán)上。吊籃結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可移動式吊籃整體示意圖/mm

鋼絲繩與懸掛橫梁通過2根相互垂直焊接的鋼管連接，在豎向鋼管上開鑿1個凹槽，將鋼絲繩通過凹槽搭在水平鋼管上，以此方式與下部懸掛橫梁連接。鋼絲繩的端部采用編結(jié)固結(jié)，編結(jié)部分的長度不得小于鋼絲繩直徑的20倍，并不應(yīng)小于300mm。鋼絲繩夾數(shù)量不得少于4個，且繩夾間距不得小于鋼絲繩的6倍。

鋼絲繩與立桿的連接：在鋼管立桿上沿工字鋼方向焊接1個鋼制過線輪，將鋼絲繩卡置滑輪凹槽內(nèi)，以此方式與立桿連接。

前支點滑輪下部立桿（長10cm）頂部與懸掛橫梁焊接，下部與長度為30cm的工字鋼（側(cè)向放置）的腹板焊接，鋼板下焊接2個直徑為10cm的滑輪，其行駛方向與懸掛橫梁垂直。焊接均采用圓周焊。前支點滑輪連接示意圖如圖2所示。

后支點立桿（長10cm）頂部與懸掛橫梁工字鋼焊接，下部同配重放置欄焊接，后再焊接安裝4個滑輪，且按菱形布置。后支點滑輪連接示意圖如圖3所示。

圖2 前支點滑輪連接示意圖

圖3 后支點滑輪連接示意圖

每層作業(yè)平臺中間設(shè)置1部爬梯，步距300mm。下方留有人員出入空間，作業(yè)人員從隧道頂板由上至下進入下方吊籃。

下部吊籃與上部懸掛橫梁由20鋼筋采用焊接方式連接，將20鋼筋根據(jù)工字鋼以及圓鋼管外形進行加工彎曲，然后采用雙面焊接方式分別與上部橫梁及下部立桿連接，每根立桿與懸掛橫梁的連接均采用此方式。立桿與橫梁連接示意圖如圖4所示。

2.2 計算驗算

可移動式吊籃主要根據(jù)GBT19155-2017《高處作業(yè)吊籃》和JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》進行設(shè)計。驗算內(nèi)容主要包括：懸掛橫梁抗彎強度驗算，懸掛橫梁抗剪強度驗算，懸掛橫梁剛度驗算，懸掛橫梁整體穩(wěn)定性驗算，上部懸掛結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算。下部吊籃的設(shè)計符合JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中腳手架的相關(guān)規(guī)定，其強度和剛度滿足要求。由于懸掛在橫梁上，立桿承受拉力，不存在受壓失穩(wěn)問題，其受力形式更為優(yōu)化。

圖4 立桿與橫梁連接示意圖

（1）荷載計算。

可移動式吊籃的作業(yè)高度為10.2m，相關(guān)荷載參數(shù)如表1所示。根據(jù)JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》［1］第5.1.2條：“計算構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性與連接強度時，應(yīng)采用荷載效應(yīng)基本組合的設(shè)計值。永久荷載分項系數(shù)應(yīng)取1.2，可變荷載分項系數(shù)應(yīng)取1.4”。

表1 荷載參數(shù)表

對于每榀懸掛橫梁，吊籃豎向荷載設(shè)計值為

（2）懸掛橫梁強度驗算。

懸掛橫梁驗算時不考慮拉繩及加強筋的作用，將其作為懸掛橫梁的安全儲備。懸掛橫梁計算簡圖如圖5所示。懸掛橫梁采用16#工字鋼，相關(guān)參數(shù)如表2所示，工字鋼截面如圖6所示，其中L1=1500mm，L2=4500mm，L3=900mm。

圖5 懸掛橫梁計算簡圖

表2 16#工字鋼參數(shù)表

圖6 16#工字鋼截面

計算簡化認為，下部吊籃荷載由主骨架6根立桿均勻承受，故每榀懸掛橫梁中，外側(cè)雙立桿軸向拉力設(shè)計值為

內(nèi)側(cè)單立桿軸向拉力設(shè)計值為

懸掛橫梁抗彎強度滿足要求。

（3）懸掛橫梁抗剪強度驗算。

JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》對型鋼懸挑梁的抗剪強度未作出規(guī)定，但此處依然對懸掛橫梁進行抗剪強度驗算。

由上式計算可得N1=4.88kN，N2=2.44kN。

懸掛橫梁抗剪強度滿足要求。

（4）懸掛橫梁整體穩(wěn)定性驗算。

梁整體穩(wěn)定性系數(shù)

按上式計算時若φb＞0.6，則應(yīng)用φb'代替φb，則φb'的計算公式為

梁整體穩(wěn)定的等效臨界彎矩系數(shù)

長細比λy= L2/iy= 4 500/18.9 = 238.10，截面為對稱截面，故截面不對稱影響系數(shù)ηb=0。

將上述參數(shù)代入計算得

整體穩(wěn)定性驗算

懸掛橫梁整體穩(wěn)定性滿足要求。

（5）懸掛橫梁剛度驗算。

根據(jù)JGJ130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》［1］第5.1.3條“腳手架中的受彎構(gòu)件，尚應(yīng)根據(jù)正常使用極限狀態(tài)的要求驗算變形。驗算構(gòu)件變形時，應(yīng)采用荷載效應(yīng)的標準組合的設(shè)計值，各類荷載分項系數(shù)均應(yīng)取1.0”。故此時每榀懸掛橫梁懸挑端N1、N2分別為

懸掛橫梁最大撓度

懸掛橫梁容許撓度

υ＜［υ］，故懸掛橫梁剛度滿足要求。

懸掛橫梁鋼絲繩設(shè)有法蘭可進行松緊調(diào)節(jié)，鋼絲繩不可收得太緊，以保證懸掛橫梁處于水平狀態(tài)［2］。

（6）上部懸掛結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算。

GBT19155-2017《高處作業(yè)吊籃》第6.5.5.3條指出“在配重懸掛支架外伸距離最大，起升機構(gòu)極限工作載荷工況時，穩(wěn)定力矩應(yīng)大于或等于3倍的傾覆力矩”［3］。

配重采用1.0m×0.2m×0.3m的C20預(yù)制混凝土塊，共6塊，配重Gm=853.20kg。

由式（2）及式（3）可得N1=4.88kN，N2=2.44kN。

3 結(jié)束語

通過對可移動式吊籃的工藝設(shè)計和計算驗算，并結(jié)合實際工程，證明了所研發(fā)可移動式吊籃的可行性，解決了傳統(tǒng)施工工藝需要不斷拆卸和安裝的問題，極大地降低了時間成本和勞動成本，這種新型設(shè)備將來可以作為側(cè)墻施工的標準配置加以推廣。在施工中，可以結(jié)合工程實際，適當(dāng)增加連地件、防側(cè)移裝置等構(gòu)件，使其達到更好地使用效果。