引水隧洞渐变段衬砌施工承重脚手架的设计与安全验算

陈杰

【摘要】在水利工程发电引水隧洞施工中，输水隧洞的进口段多设计为渐变段样式，渐变段的开挖和混凝土衬砌浇筑的施工难度均较大，在混凝土浇筑时，需搭设承重脚手架来承担施工过程中混凝土、模板、人员设备的荷载，需要保证绝对的安全，因此做好发电引水隧洞渐变段衬砌浇筑的承重脚手架设计十分重要。本文以某水电站工程的发电引水隧洞进口渐变段混凝土衬砌施工为例，研究承重脚手架的设计过程以保证施工过程安全。

【关键词】发电引水隧洞 衬砌 边顶拱 承重脚手架支撑体系 稳定性 承载力

1 工程概况

某发电引水洞隧洞为有压隧洞，隧洞成型断面为圆形，成型洞径D=6.2m，进口段12m为方变圆形式渐变段，桩号引0+000~引0+012段；按照V类围岩开挖支护，混凝土衬砌厚度100cm，钢筋布置形式为三层；止水设置一道橡胶止水和一道紫铜止水，纵向施工缝设置镀锌钢片止水，采用底部90°范围底拱和上部边顶拱分两次浇筑的方式。

2 混凝土施工程序

渐变段衬砌分边顶拱和底拱两次浇筑，底拱按下部90°进行控制，底拱浇筑完成后做好养护工作，为保证安全，待底板混凝土达到完全设计强度后进行边顶拱混凝土浇筑施工。

边顶拱混凝土衬砌施工程序为：已浇底板混凝土面保护→满堂架作业平台搭设→缝面处理→测量放线→钢筋绑扎→预埋件安装→模板安装→模板加固→混凝土浇筑→收仓→养护。

边顶拱混凝土施工需搭设满堂架支撑体系与工作平台，顶部受力将经立杆传至底拱混凝土，所以做好底拱混凝土的保护很重要。主要措施为脱模保证混凝土强度达到规范要求设计强度，拆模后做好养护工作，搭设的脚手架立杆与混凝土面之间设置规格为10cm×10cm的木垫块，非平面设置同等规格的木楔块，保证底部混凝土不因受力破坏。

另外，施工过程中的设备做到轻拿轻放，避免使用重锤或尖锐物体敲击底拱混凝土面。

3 材料选择与质量要求

1）钢管选材

钢管选择选择Q235-A级钢，尺寸为φ48mm×3.5mm，钢管具有出厂合格证且经过入场取样检测，其质量符合现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T700-2006）中关于Q235-A级钢的规定，在使用前对每根钢管进行防锈处理，涂刷机油。

2）扣件

使用扣件类型主要有旋转扣件和直角扣件两种，扣件材质符合《钢管脚手架扣件》GB15831-2006规定，旧扣件使用前进行质量检查，不使用有裂缝、变形的扣件，出现滑丝的螺栓要进行更换处理，新、旧扣件均进行涂刷机油等防锈处理。

3）其他安全防护材料

脚手板一律采用2cm厚木板，脚手板两端用铁丝扎紧；购置合格的密目式安全网，在承重脚手架外围挂设；购置防坠网，用于在支撑结构上部挂设。

4 承重脚手架设计

4.1 尺寸设计

根据施工现场条件和隧洞特征，以保证足够安全为前提做出以下初步设计：脚手架步距为0.9m、立杆纵距为0.6m、横距0.6m；交通梯宽度为75cm，踏步斜长30cm；剪刀撑设置为三排，间距不小于6跨，倾角在50～70°范围内。

图1  渐变段方形断面图

图2  渐变段圆形断面图

4.2 荷载验算

4.2.1确定活荷载

本脚手架用途为结构脚手架，考虑两层同时作业，施工均布活荷载设计值取6.0kN/m2。

4.2.2确定静荷载

混凝土浇筑层厚1.0m，立杆间距0.6m、排距0.6m，取1m2范围内受力排架进行验算。

钢筋混凝土自重：1m×1m×1m×25KN/m3＝25KN；

其他材料：胶合模板自重0.07K、钢管自重1.72KN、扣件自重0.5KN、脚手板自重标准值0.350 kN/m2、安全设施与安全网0.005kN/m2。

4.2.3大横杆计算

大横杆布置在小横杆上面，按照三跨连续梁进行强度和挠度计算。将大横杆上面的脚手板自重和施工活荷载作为均布荷载计算大横杆的最大弯矩和变形。

1）均布荷载值计算

大横杆的自重标准值:P1=0.038 kN/m

脚手板的荷载标准值:P2=0.350×0.600/(2+1)=0.07 kN/m

活荷载标准值:Q=6.0×0.600/(2+1)=1.2kN/m

静荷载的计算值: q1=1.2×0.038+1.2×0.07=0.13kN/m

活荷载的计算值: q2=1.4×1.2=1.68 kN/m            

2）强度验算

跨中最大弯矩：

M1max=0.08q1l2+0.10q2l2=0.08×0.13×0.62+0.10×1.68×0.62=0.064kN·m；

支座最大弯距：

M2max =-0.1q1l2-0.117q2l2=-0.10×0.13×0.62-0.117×1.68×0.62 =-0.075kN·m；

选择支座弯矩和跨中弯矩的最大值进行强度验算：

          σ=Max(0.064×106,0.075×106)/5080=15.65N/mm2；

   大横杆的抗弯强度:σ= 15.65N/mm

2 小于 [f]=205.0 N/mm2，满足要求。

3）挠度验算

静荷载标准值: q1= P1+P2=0.038+0.07=0.045 kN/m；

活荷载标准值: q2= Q =1.2kN/m；

三跨连续梁均布荷载作用下的最大挠度：

V=0.677q1l4/100EI+0.99q2l4/100EI=0.677×0.13×6004/(100×2.06×105×121900.0)+0.99×1.86×6004/(100×2.06×105×121900.0)=0.86mm；

大横杆的最大挠度0.86mm小于1000.0/150 mm 或者10mm，满足要求。

4.2.4小横杆的计算

用大横杆支座的最大反力计算值作为小横杆集中荷载，在最不利荷载布置下计算小横杆的最大弯矩和变形。

1）荷载值计算

      大横杆的自重标准值：p1=0.038×0.6=0.029kN；

      脚手板的荷载标准值：P2=0.35×0.6×0.6/(2+1)=0.042kN；

      活荷载标准值：Q=6.0×0.6×0.6/(2+1)=0.72kN

      荷载的计算值: P=1.2×(0.029+0.042)+1.4×0.72=1.093kN；

2）强度验算

最大弯矩考虑为小横杆自重均布荷载与荷载的计算值最不利分配的弯矩和均布荷载最大弯矩计算公式如下：

         Mqmax =ql2/8= 0.029×0.62/8 =0.001 kN·m；

        集中荷载最大弯矩计算；

         Mpmax=Pl/3=1.093×0.6/3 =0.2186kN·m；

        最大弯矩 M= Mqmax+Mpmax=0.2196kN·m；

        σ=M/W =0.2196×106/5080=45.82N/mm2；

  小横杆的最大弯曲应力 σ=45.82N/mm2 ，小于小横杆的抗压强度设计值 205 N/mm2，满足要求。

（3）挠度验算

小横杆自重均布荷载引起的最大挠度计算公式如下：

  Vqmax=5ql4/384EI=5×0.038×6004/(384×2.06×105×121900)=0.002 mm；

P2=p1+p2+Q=0.029+0.042+0.72=0.791kN；

集中荷载标准值最不利分配引起的最大挠度计算公式如下

  Vpmax=P2l(3l2-4l2/9)/72EI=791×600×(3×6002-4×6002/9)/(72×2.060×105 ×121900.0)=0.485mm；

最大挠度和 V=Vqmax+Vpmax=0.002+0.485=0.487mm；

小横杆的最大挠度为0.487mm 小于(1000/150)=6.667mm，挠度满足要求。

4.2.5扣件抗滑力的计算

按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，双扣件承载力设计值取16.00kN，按照扣件抗滑承载力系数0.80，故用于此发电引水隧洞衬砌承重脚手架体系的旋转双扣件承载力取值为12.80kN 。

纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力按照下式计算：

                           R ≤ Rc   

荷载的计算值: R=1.2×(0.029+0.042)+1.4×0.72=1.093kN；

    R<12.80 kN，所以双扣件抗滑承载力的设计计算满足要求。

4.2.6立杆稳定性计算

作用于脚手架的荷载包括静荷载、活荷载和风荷载，取0.6m×0.6m范围内。

1）静荷载标准值包括以下内容：   

混凝土浇筑层厚1.0m，立杆间距0.6m、排距0.6m，取0.6×0.6m2范围内受力排架进行验算。

钢筋混凝土自重：0.6m×0.6m×1.0m×25KN/m3 =9KN；

其他材料：胶合模板自重0.07 KN、钢管自重2.15KN、扣件自重0.5KN、脚手板自重标准值0.350 kN/m2、安全设施与安全网0.005kN/m2。

2）活荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和，内、外立杆按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。

 经计算得到，活荷载标准值：

                 NQ=6.0×0.6×0.6×2/2=2.16kN

取静荷载分项系数为1.2，动荷载分项系数为1.4，则有：

总荷载Q=（9+0.07+2.15+0.5+0.126+0.002）×1.2+2.16×1.4=17.35KN/m2；

本工程渐变段混凝土衬砌受风影响不大，故暂不考虑风荷载影响，在不考虑风荷载影响的情况下，立杆的稳定性计算公式为：

    立杆的轴心压力设计值：N =17.35kN；

计算立杆的截面回转半径：i=1.58cm；

横截面面积A＝489mm2；

层高h=0.9m；

计算长度附加系数K = 1.155 ；

计算长度系数参照规范取U = 1.800

计算长度由公式 lo = KUh得：lo =1.87 m；

                       Lo/i =118.4

由λ＝118.4，查轴心受压构件稳定系数表得：φ＝0.501；

则立杆承受的轴向压力：

σ＝N/（φ×A）＝17.35KN/（0.501×489 mm2）＝70.82N/ mm²＜f＝205 N/mm2。

可见满堂架立杆满足受力要求，立杆稳定。

5 结论

通过设计与验算分析，该承重脚手架体系安全稳固，满足施工要求，可以进行搭设与使用。在浇筑过程中，需要注意拖泵泵管对该脚手架支撑体系无扰动，通过渐变段混凝土现场浇筑情况，该承重脚手架支撑体系无晃动、无变形，混凝土衬砌质量较好，可以保证人员、设备安全顺利进行施工。因此，在引水隧洞渐变段混凝土衬砌施工前进行承重脚手架支撑体系的设计和承载力验算，对于保证施工安全质量很有必要。

参考文献：

［1］王明,张敏.小湾水电站尾水隧洞开挖支护的技术优化［J］.云南水力发电，2006，（03）

［2］刘民军,张贵祥.小湾水电站尾水调压室阻抗板混凝土施工［J］.云南水力发电，2010，（02）

［3］李军强. 小湾水电站尾水隧洞出口渐变段衬砌工艺特点［J］.河北北方学院学报，2014，（04）