超高陡巖質邊坡腳手架搭設及應用研究

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）

在地理結構復雜、地形條件差、不具備交通通行條件的山區環境，由自然或人為原因造成的地質災害往往對其附近居民區、鐵路、公路等造成不可估量的損失。重慶武隆地區，構造上受南北走向川東褶皺斷裂帶南端和川黔經向構造帶影響[1]，加之烏江對地形構造產生的作用，形成了高陡的河谷陡坡。由于地質構造特殊，武隆地區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，危巖體經過長期蠕變和其他因素的積累發生崩塌破壞[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、以及兩者相結合的組合方式進行加固[3]，其中原位整治技術便是最直接、有效的治理方式。而原位整治的關鍵核心在于山區復雜地質環境中的腳手架搭設技術。

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防護設施工程是渝懷線（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。本項目加固區域位于距離鐵路軌面190～330 m 高度范圍內灰巖陡壁上，長約210 m，最高約140 m，山體近乎直立，上方分布大量危巖體，規模大，穩定性差，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。本工程的任務是對危巖體進行加固，保障渝懷線該段行車安全。

1.2 地質條件

依據現場調查以及相關資料，白馬1#隧道仰坡表層分布第四系全新統崩坡積層，下伏基巖以灰巖為主，上部為石灰巖陡壁，多陡崖，由于山體存在多處貫通裂縫，且危巖體已經與母巖脫離，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、預應力鋼錨管、雙錨固段錨索及框架梁，除主動防護網施工外，其他工程的施工均需在腳手架上完成，搭設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

根據現場環境顯示，垂直加固段下方區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 腳手架設計

2.1 加固區域巖石物理性能試驗

在加固區域隨機選取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99.8%。6 組抗壓強度試樣飽和狀態平均抗壓強度56 Mp，天然狀態平均抗壓強度70 Mp，試驗結果證明該處地質條件滿足搭設工字鋼懸挑腳手架要求。

2.2 落地式腳手架搭設方式

由于坡腳下方為54~60°陡坡，解決腳手架基礎的設置方式是成功搭設鋼管腳手架的關鍵，考慮到地形復雜，不具備設置水平基礎的條件，現場采用依據地形在坡面鉆孔，孔深1 m，直徑70 mm，腳手架立桿插入孔內，以此作為腳手架基礎進行腳手架搭設，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 落地式腳手架搭設示意圖

2.3 懸挑腳手架搭設方式

如圖2 所示，本工程懸挑腳手架結構采用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，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 懸挑腳手架現場搭設圖示

JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》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。除考慮正常狀態下的荷載組合，還需要考慮極限狀態組合方式，本工程極限狀態荷載組合為1.2×永久荷載+0.9×1.4×（施工荷載+風荷載），通過Midas Civil 軟件建立數值模型并計算分析：懸挑結構的正應力、剪應力，架體結構縱橫向水平桿承載力、扣件抗滑力、立桿穩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選取

腳手架鋼管應采用現行國家標準中規定的3 號普通鋼管。鋼管外徑為48 mm，壁厚為3.0 mm。

3.1.2 腳手架鋼管室內試驗

鋼管選用Φ48 mm 型號，直徑需要現場量測。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據，測試平均值分別為414.37 MPa、345.37 MPa、24.12%，大于其對應的合格標準：370 MPa、235 MPa、15%，符合規范要求。

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，試驗數據平均值分別為467 MPa、359 MPa、32.67%，滿足要求。

4 腳手架搭設前現場試驗

4.1 手架試驗平臺搭設

腳手架搭設前，需通過腳手架現場試驗驗證設計要求符合施工現場實際工況，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，無任何連接，且落地式腳手架搭設高度不超過單層分級懸挑腳手架的高度（21 m），故腳手架正式搭設前僅驗證懸挑腳手架現場搭設能否滿足設計要求。試驗平臺搭設高度15 m，縱向長度15 m，橫向寬度3.5 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。

現場試驗主要是測試懸挑腳手架平臺的承載能力，按設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、立柱基礎的變形以及懸挑平臺的變形是否在可控范圍內，是否能滿足設計的要求。

4.2 試驗結果分析

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

圖3 現場試驗荷載位移曲線圖

4.3 結論

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

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

（3）監測點的位移，整體上呈直線增加，說明腳手架結構體系在該荷載作用下，仍處于彈性狀態中，結構可靠。

5 超高陡巖質邊坡腳手架搭設

5.1 腳手架搭設技術要求

5.1.1 腳手架基礎

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傳遞至坡面，為使腳手架保持穩定不產生下沉，腳手架搭設前必須對其基礎進行加固處理，腳手架的立桿底部不但要有基礎錨固，而且要保證基礎的穩定。落地式腳手架采用雙立桿，地面基礎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

根據危巖體加固區高度設置多層懸挑腳手架，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。在風荷載作用下，與連墻件相連的大橫桿應力增大[6]，與之相連的連墻件應力相應增大。由于本工程位于山區，腳手架受風荷載影響較大，本工程將腳手架連墻件設置方向為斜向上方向，傾斜度10°，用以減弱風荷載的影響。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崖面情況調整鉆孔深度，確保錨桿錨固段插入穩定巖體不小于2.7 m，然后進行孔內注漿，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 腳手架搭設安全保障措施

在腳手架搭設前，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，消除在腳手架搭設過程中危石掉落的風險。

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

6 結束語

（1）渝懷線K158+837 白馬一號隧道進口仰坡危巖體增設防護設施工程中超高陡危巖體上腳手架的成功搭設驗證了在復雜地質、地形條件下腳手架搭設的可行性，為復雜山區環境地質災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，沿線兩側往往存在多種地形地貌特征，特別是在山區，受自然環境和人類活動的影響，地質災害頻發，在地質災害治理的解決措施中，對地質災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的成功應用為原位整治的推廣使用打下了基礎。在鐵路、公路等交通工程領域，相較于線路的爆破、繞避、改線等措施，具有明顯的經濟效益。