超高陡巖質(zhì)邊坡腳手架搭設(shè)及應(yīng)用研究

楊詩源，劉寶奎，夏志雄，劉 駿

（鐵科院（深圳）特種工程有限公司，廣東 深圳 518000）

在地理結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地形條件差、不具備交通通行條件的山區(qū)環(huán)境，由自然或人為原因造成的地質(zhì)災(zāi)害往往對其附近居民區(qū)、鐵路、公路等造成不可估量的損失。重慶武隆地區(qū)，構(gòu)造上受南北走向川東褶皺斷裂帶南端和川黔經(jīng)向構(gòu)造帶影響[1]，加之烏江對地形構(gòu)造產(chǎn)生的作用，形成了高陡的河谷陡坡。由于地質(zhì)構(gòu)造特殊，武隆地區(qū)山體上方存在大量危巖體，受地震、降雨、溶蝕等多種因素影響，危巖體經(jīng)過長期蠕變和其他因素的積累發(fā)生崩塌破壞[2]，嚴重危及周邊鐵路、公路的安全，在對危巖體的治理中，有主動治理、被動防護、以及兩者相結(jié)合的組合方式進行加固[3]，其中原位整治技術(shù)便是最直接、有效的治理方式。而原位整治的關(guān)鍵核心在于山區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的腳手架搭設(shè)技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程介紹

渝懷線K158+837 白馬1# 隧道進口仰坡危巖體增設(shè)防護設(shè)施工程是渝懷線（武隆段）附近的超高陡危巖體加固工程，渝懷線K158+837 白馬1#隧道位于渝懷線白沙沱-白馬區(qū)間，白馬1#隧道所處山體垂直高度約480 m，鐵路軌面距山頂高約330 m。本項目加固區(qū)域位于距離鐵路軌面190～330 m 高度范圍內(nèi)灰?guī)r陡壁上，長約210 m，最高約140 m，山體近乎直立，上方分布大量危巖體，規(guī)模大，穩(wěn)定性差，其中最大的1#危巖體底部長約72 m，高約76 m，厚約4.4 m，重約25 000 t，危巖體背后張開最大裂隙寬度1.4 m，隨時有發(fā)生崩塌、掉落的可能，對渝懷鐵路行車安全造成極大威脅。本工程的任務(wù)是對危巖體進行加固，保障渝懷線該段行車安全。

1.2 地質(zhì)條件

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查以及相關(guān)資料，白馬1#隧道仰坡表層分布第四系全新統(tǒng)崩坡積層，下伏基巖以灰?guī)r為主，上部為石灰?guī)r陡壁，多陡崖，由于山體存在多處貫通裂縫，且危巖體已經(jīng)與母巖脫離，薄巖層巖體破碎，時有危石落下。

1.3 治理措施

工程治理措施包括主動防護網(wǎng)、預(yù)應(yīng)力鋼錨管、雙錨固段錨索及框架梁，除主動防護網(wǎng)施工外，其他工程的施工均需在腳手架上完成，搭設(shè)140 m 高的垂直腳手架是本工程的重中之重，困難極大。

1.4 腳手架特征

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境顯示，垂直加固段下方區(qū)域存在兩處地形特征，其中水平向200 m 段為陡坡，坡度54~60°，10 m 段為陡壁懸崖。陡坡段采用落地式鋼管腳手架+懸挑腳手架，懸崖段直接進行懸挑腳手架施工。

2 腳手架設(shè)計

2.1 加固區(qū)域巖石物理性能試驗

在加固區(qū)域隨機選取20 個取樣點進行抽芯取樣，分別進行巖石的天然密度、孔隙率、耐崩解性和抗壓強度等物理性能試驗，經(jīng)過多組試驗，得出如下指標：巖石天然密度2.73~2.75 g/cm3，飽和密度2.71~2.74 g/cm3，干密度2.72~2.74 g/cm3，孔隙率1.6%~1.7%，彈性模量6.59 MPa，耐崩解系數(shù)99.8%。6 組抗壓強度試樣飽和狀態(tài)平均抗壓強度56 Mp，天然狀態(tài)平均抗壓強度70 Mp，試驗結(jié)果證明該處地質(zhì)條件滿足搭設(shè)工字鋼懸挑腳手架要求。

2.2 落地式腳手架搭設(shè)方式

由于坡腳下方為54~60°陡坡，解決腳手架基礎(chǔ)的設(shè)置方式是成功搭設(shè)鋼管腳手架的關(guān)鍵，考慮到地形復(fù)雜，不具備設(shè)置水平基礎(chǔ)的條件，現(xiàn)場采用依據(jù)地形在坡面鉆孔，孔深1 m，直徑70 mm，腳手架立桿插入孔內(nèi)，以此作為腳手架基礎(chǔ)進行腳手架搭設(shè)，腳手架立桿橫向4 排，間距1 m，縱向間距1.5 m，步距1.5 m，連墻件二步二跨，如圖1 所示。

圖1 落地式腳手架搭設(shè)示意圖

2.3 懸挑腳手架搭設(shè)方式

如圖2 所示，本工程懸挑腳手架結(jié)構(gòu)采用12#工字鋼做水平和斜向支撐，水平支撐與斜向支撐一端插入巖體，另一端焊接作為一個三角形支撐單元，每個支撐單元縱向間距1.5 m，8#槽鋼與水平工字鋼頂部翼板平面進行焊接，將多個支撐單元連接為一個整體，8#槽鋼C 型口朝上，作為立桿基礎(chǔ)，懸挑平臺單級懸挑高度21 m，層與層之間不連接，相對獨立[4]。

圖2 懸挑腳手架現(xiàn)場搭設(shè)圖示

JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》中第6.10.1 條[5]，一次懸挑腳手架高度不宜超過20 m，本工程腳手架單層懸挑高度21 m，腳手架縱距1.5 m，橫距1.0 m，步距1.5 m。除考慮正常狀態(tài)下的荷載組合，還需要考慮極限狀態(tài)組合方式，本工程極限狀態(tài)荷載組合為1.2×永久荷載+0.9×1.4×（施工荷載+風(fēng)荷載），通過Midas Civil 軟件建立數(shù)值模型并計算分析：懸挑結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，架體結(jié)構(gòu)縱橫向水平桿承載力、扣件抗滑力、立桿穩(wěn)定性及其變形和剛度均不超過容許值。

3 腳手架材料選擇檢驗

3.1 腳手架鋼管

3.1.1 腳手架鋼管計算參數(shù)選取

腳手架鋼管應(yīng)采用現(xiàn)行國家標準中規(guī)定的3 號普通鋼管。鋼管外徑為48 mm，壁厚為3.0 mm。

3.1.2 腳手架鋼管室內(nèi)試驗

鋼管選用Φ48 mm 型號，直徑需要現(xiàn)場量測。選取8 根進行試驗，取得抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率等試驗數(shù)據(jù)，測試平均值分別為414.37 MPa、345.37 MPa、24.12%，大于其對應(yīng)的合格標準：370 MPa、235 MPa、15%，符合規(guī)范要求。

3.2 懸挑工字鋼

懸挑型鋼采用12#熱軋工字鋼，型號120*74*5.0*6000，選取3 根測定工字鋼的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率試驗，試驗數(shù)據(jù)平均值分別為467 MPa、359 MPa、32.67%，滿足要求。

4 腳手架搭設(shè)前現(xiàn)場試驗

4.1 手架試驗平臺搭設(shè)

腳手架搭設(shè)前，需通過腳手架現(xiàn)場試驗驗證設(shè)計要求符合施工現(xiàn)場實際工況，由于落地式腳手架與懸挑腳手架之間處于相對獨立的狀態(tài)，無任何連接，且落地式腳手架搭設(shè)高度不超過單層分級懸挑腳手架的高度（21 m），故腳手架正式搭設(shè)前僅驗證懸挑腳手架現(xiàn)場搭設(shè)能否滿足設(shè)計要求。試驗平臺搭設(shè)高度15 m，縱向長度15 m，橫向?qū)挾?.5 m，立桿橫向間距1 m，縱向間距1.5 m，通過在平臺頂部施加豎向荷載來模擬實際工況。

現(xiàn)場試驗主要是測試懸挑腳手架平臺的承載能力，按設(shè)計計算要求在工字鋼平臺上部的腳手架上進行加載，加載按9.88 kN/m2（7.6 kN/m2*1.3）進行施加，現(xiàn)場采用鋼管分層平鋪的方式進行加載。工字鋼懸挑平臺的試驗主要是觀測腳手架的變形、立柱基礎(chǔ)的變形以及懸挑平臺的變形是否在可控范圍內(nèi)，是否能滿足設(shè)計的要求。

4.2 試驗結(jié)果分析

現(xiàn)場測試主要是懸挑工字鋼平臺的懸挑工字鋼外側(cè)端部的沉降觀測，主要是采用在工字鋼懸挑平臺的外側(cè)布置棱鏡，并用全站儀的方式進行沉降觀測；荷載主要采用鋼管數(shù)量來計算，合計加載重22.5T，滿足設(shè)計要求的3.0×7.5×9.88/10=22.23T。腳手架鋼管試驗結(jié)果見表1?，F(xiàn)場試驗荷載位移曲線圖如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場試驗荷載位移曲線圖

4.3 結(jié)論

（1）現(xiàn)場試驗過程未發(fā)現(xiàn)腳手架發(fā)生變形、斷裂、失穩(wěn)等異常情況，腳手架整體是穩(wěn)定的。說明在該荷載作用下，即21 m 懸挑高度情況下，腳手架是穩(wěn)定的。

（2）試驗加載區(qū)域內(nèi)腳手架的懸挑工字鋼外端變形較大，非加載區(qū)域變形較小，加載影響到加載區(qū)域外的第二排懸挑工字鋼。

（3）監(jiān)測點的位移，整體上呈直線增加，說明腳手架結(jié)構(gòu)體系在該荷載作用下，仍處于彈性狀態(tài)中，結(jié)構(gòu)可靠。

5 超高陡巖質(zhì)邊坡腳手架搭設(shè)

5.1 腳手架搭設(shè)技術(shù)要求

5.1.1 腳手架基礎(chǔ)

落地式腳手架的自重及其上部施工荷載均通過腳手架基礎(chǔ)傳遞至坡面，為使腳手架保持穩(wěn)定不產(chǎn)生下沉，腳手架搭設(shè)前必須對其基礎(chǔ)進行加固處理，腳手架的立桿底部不但要有基礎(chǔ)錨固，而且要保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定。落地式腳手架采用雙立桿，地面基礎(chǔ)采用每根立桿底部鉆D70 孔，然后灌純水泥漿后插入鋼管，鉆孔深度為1.0 m。

5.1.2 工字鋼懸挑平臺搭設(shè)

根據(jù)危巖體加固區(qū)高度設(shè)置多層懸挑腳手架，每層懸挑腳手架之間相互獨立。懸挑平臺采用12#水平和斜向工字鋼組合成三角形支撐單元，水平工字鋼與斜向工字鋼一端伸入到巖體中，另一端端部焊接在一起，相鄰支撐單元間距與腳手架立桿縱距保持一致，懸挑平臺長度滿足最小作業(yè)面寬度，支撐單元間通過8#槽鋼做橫向連接，共四排，間距1.0 m，與腳手架橫距保持一致，最內(nèi)排槽鋼距離巖面0.5 m，最外排槽鋼距離懸挑平臺端部0.1 m，每層懸挑平臺的高度為21 m。槽鋼背面與水平工字鋼頂部相搭接，搭接部位雙面滿焊。

5.1.3 連墻件

連墻件采用Φ48 mm 鋼管錨桿，利用雙扣件或單扣件+焊接的方式與腳手架進行剛性連接。在風(fēng)荷載作用下，與連墻件相連的大橫桿應(yīng)力增大[6]，與之相連的連墻件應(yīng)力相應(yīng)增大。由于本工程位于山區(qū)，腳手架受風(fēng)荷載影響較大，本工程將腳手架連墻件設(shè)置方向為斜向上方向，傾斜度10°，用以減弱風(fēng)荷載的影響。具體做法為先鉆孔，連墻件孔徑為Φ70 mm，孔深2.7 m，梅花形布置，局部破碎崖體需根據(jù)崖面情況調(diào)整鉆孔深度，確保錨桿錨固段插入穩(wěn)定巖體不小于2.7 m，然后進行孔內(nèi)注漿，注漿完成后插入鋼管錨桿，待達到一定強度后通過扣件與腳手架大橫桿相連。

5.2 腳手架搭設(shè)安全保障措施

在腳手架搭設(shè)前，首先對加固面上方的浮石和與母巖剝離的危巖進行清理，清理工作由坡頂向坡腳依次進行，坡頂施做錨桿和錨墩，將安全繩固定在錨桿上，作業(yè)人員通過安全繩懸置在半空中，對坡面破碎體、浮石和渣土進行清理，消除在腳手架搭設(shè)過程中危石掉落的風(fēng)險。

坡面打刷清理完成后對整個坡面進行主動防護網(wǎng)的鋪設(shè)，防止受施工過程擾動而有可能產(chǎn)生的次生危石對腳手架搭設(shè)作業(yè)人員產(chǎn)生安全隱患，主動防護網(wǎng)縫合繩下鋪設(shè)S0/2.2/50 型格柵網(wǎng)，能夠有效攔截因施工擾動產(chǎn)生的危石，降低施工過程中的安全風(fēng)險。

6 結(jié)束語

（1）渝懷線K158+837 白馬一號隧道進口仰坡危巖體增設(shè)防護設(shè)施工程中超高陡危巖體上腳手架的成功搭設(shè)驗證了在復(fù)雜地質(zhì)、地形條件下腳手架搭設(shè)的可行性，為復(fù)雜山區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的治理提供了實例借鑒。

（2）在鐵路運輸工程中，由于線路長，跨度大，沿線兩側(cè)往往存在多種地形地貌特征，特別是在山區(qū)，受自然環(huán)境和人類活動的影響，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，在地質(zhì)災(zāi)害治理的解決措施中，對地質(zhì)災(zāi)害點進行原位整治是最直接有效的處理方式，也是處理費用最少的方式之一，本工程超高腳手架搭設(shè)的成功應(yīng)用為原位整治的推廣使用打下了基礎(chǔ)。在鐵路、公路等交通工程領(lǐng)域，相較于線路的爆破、繞避、改線等措施，具有明顯的經(jīng)濟效益。