模板坍塌事故预防及救险措施浅析
2009-09-28
模板坍塌事故是建筑施工中极易引发群体伤亡的危险源之一，尤其随着城市现代化的发展，大层高的建筑越来越多，一些高度大于4.5m，且采用扣件式钢管模板支撑架的模板工程频频发生了坍塌事故，造成重大的人身伤亡和财产损失。
2000年11月16日某纺织公司正在浇筑砼的锅炉房屋面平台突然发生坝塌事故，造成11人死亡、2人重伤、1人轻伤，直接经济损失达257.5万元。该屋面排架支撑采用Φ48×3.5的钢管搭设。热电厂架搭设基本以主梁轴线为基准，距梁轴线0.5m左右两侧设置两根立杆，其余部分以间距不超过1.8m为原则平均分配立杆间距，立杆间距实际最大值为1.7m左右，水平杆的竖向间距为1.8m左右。立杆大部分采用对接扣件上下搭接，仅在接近屋面板模板部位，为了调整高度而采用两个旋转扣件作搭接。
据勘查，水平杆在纵横方向每隔一个步距均缺设一根，排架支撑中没有设置连续的竖向和水平剪刀撑。排架搭设没有设计计算文件及指导施工的书面技术文件。
据屋面结构平面分析，得出排架支撑最大受载区域大体为3.25m2（2.5×1.3m），其下部支撑立杆为2根Φ48×3.5的钢管。下面按《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130—2001）对架体进行力学分析：
（一）荷载分析
（1）结构静荷载
主梁 0.4×1.5×1.3=0.78m3
次梁 0.25×0.9×2.5=0.563m3
楼板 [（2.5×1.3）%26shy;（0.4×1.3）%26shy;（2.1×0.25）]×0.12=0.27m3
（0.78+0.563+0.27）×25000=40325N ……………①
（2）木模板荷载
3.25×300=975N ……………………………………②
（3）施工活荷载
3.25×1000=3250N …………………………………③
1.2[①+②]+1.4③=54110N
传递至单根立杆的荷载为27055N
（二）稳定分析
有钢管、扣件作排架的支撑设计必须进行详细的受力分析和计算，是施工安全管理中的强制性要求，这对于本安全支撑高度大于4.5m的高支撑架尤为重要。而模板支撑的实际搭设处理与理论计算假定是否相近又是极其重要的计算依据。由于采用扣件相互连接，各个节点都存在一系列的可变因素，如偏心、位移、坚固扭矩不足等，这些因素均影响到计算中杆件长细比的确定。长细比的难以确定直接影响杆件的稳定分析。因此，实际工程中的计算模式的假定必须严格按最有利于安全的角度出发。
由于轴心受压杆件的长细比按规范要求应限制在λ=150之内，也就是当考虑钢管的计算长度l0≤2370mm时，才能符合规范要求。若要满足此要求，就必须在计算杆件两端形成良好的铰接状态（如安装水平剪刀撑，形成水平刚度较强的状态）。本案例支撑水平杆步距虽要求为1800mm，但实际水平杆“在纵横方向每隔一个步距均缺设一根”，因此按2步高作为“良好的铰接状态”进行验算，则λ=（2×1800）/15.78=228，查表， =0.146。
稳定验算：N/（ ·A）=378.8N/mm2%26gt;f=205N/mm2。
以上分析不难看出事故的技术原因主要是：
1．本案例屋面设计标高较大，离地面达21m，与二层平台（标高+4.50m）间距达16.5m。因此，支撑竖向高度较大，采用%26oslash;48×3.5钢管作竖向立杆，水平间距1.0~1.7m明显过大，水平杆上下间距1.8m，没有设置连续的竖向和水平剪刀撑，导致支撑系统整体性极差，即没有形成可靠的空间受力结构。
2．在未计入施工中泵送砼直接对模板支撑的冲击力时，支撑立杆受力已达27kN以上。假设钢管立杆的计算长度为3600mm，则钢管稳定验算中的计算值已达378.8N/mm2，此值已大大超过~235钢的设计强度值205N/mm2和屈服强度值235Nmm2。因此支撑立杆已不稳定，发生坍塌事故已是必然。
在我国，扣件式风管模板支撑架是建筑施工中常用的支撑方式，但因为缺少相对应的设计计算专业标准，使现有的设计计算存在着不确定、不安全的因素，尤其是对于支撑高度大于4.5m的梁板模板支撑架，更是由于安全技术和事故预案的不完善，导致模板坍塌事故频频发生。
加上施工现场缺乏必要的紧急救援系统，无法在坍塌事故发生后及时施救，以至于造成大量的人员伤亡，为预防模板坍塌事故的发生，确保扣件式钢管模板支撑架的使用安全和施工人员安全，有必要对同类事故的预案编制内容和紧急救援系统的建立进行分析及探讨。
第一部分 预案编制
（一）保证架体稳定的构造措施
关于扣件式钢管模板支撑架的设计计算，仅在近期颁布实施的《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）中5·6条作了一些计算规定，但规定是借鉴了国外近似“几何不可变杆系结构”力学模型的计算方法，由于我国现行相关标准对常用的扣件式钢管模板支撑架的构造要求没有国外标准那样严格，加上扣件钢管的安装质量受人为因素的影响较大，使得按规定传统习惯搭设的扣件式钢管模板支撑架不易达到“几何不可变杆系结构”的力学要求。因此，若按现行规范设计计算支撑架，还必须通过构造手段来提高架的整体刚度，以保证架体的使用安全。
（1）必须设置纵横向扫地杆和梁下纵横向水平杆。因为根据有关试验，如不设置这二项杆件，立杆的极限承载能力将下降11.1%。设置时应注意：纵向扫地杆应采用直角扣件固定在距底座上皮不大于200mm处的立杆上，横向扫地杆庆采用直角扣件固定在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上。
为保证立杆的整体稳定，还必须在安装立杆的同时设置纵、横向水平杆。
（2）支撑架的步距以0.9~1.5m为宜，且最大不能超过1.8m。因为支撑架步距的大小与立杆的极限承载力之间存在近似反比的线性关系，当施工荷载较大时，适当缩小纵横向水平杆的步距，以减少立杆的长细比，则可充分发挥钢管的强度，使其更为经济合理。根据测算，杆件的计算长度增大一倍则其极限承载力将降低50%~70%。
（3）模板支撑架立杆应优先使用对接接长的方式。立杆接长的方式有对接和搭接两种，根据有关测试，对接的最大承载力是搭接的3倍多。
此外，值得注意的是当顶部立杆使用搭接接上时，由于模板上的荷载是直接作用在支撑架顶层横杆上，并通过扣件与钢管间接的磨擦力将力传到立杆上的，又因为扣件所能传递的力较小，且有一定的偏心，致使支撑架整体受力性能较差。此时搭接接长的构造要求是：扣件间距应大小800mm，且每根立杆的允许荷载以小于12kN为宜。 在搭设支撑架时还应注意，立杆和水平杆的接长位置应做到相邻杆错开，且不在同一步跨内。
（4）立杆的间距不得超过支撑设计规定，且最大不超过1m，并应符合现行行业标准《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）的规定。 立杆底部支承结构必须具有支承上层荷载的能力。当用楼板作支承结构时，由于模板支承立杆所承受的施工荷载往往大于楼板的设计荷载，因此要以计算确定保持两层或多层立杆。为合理传递荷载，立杆底部应设置木垫板，并且使上下层立杆处在同一垂直线上。
（5）必须合理设置剪刀撑。剪刀撑有利于提高架体的整体稳定，特别是支撑高度大于4.5m的支撑架，合理设置剪刀撑能有效防止泵送砼对模板支撑的冲击所造成的架体整体失稳。根据相关试验表明，合理设置剪刀撑的支撑体系其极限承载能力可提高17%。因此，满堂的模板支承架应沿架体四周外立面满设竖向剪刀撑，竖向剪刀撑均由底至顶连续设置。支撑架较高时，或者高宽比≥6时，为提高架体的整体刚度，在架体顶部、底部设扫地杆处、以及中部每隔4~6m处必须设置满堂水平剪刀撑，剪刀撑必须与立杆相连接。
（6）严格控制支撑架的变形，确保架体的稳定性。除架体承载引起架体变形外，还有地基的不均匀沉降导致立杆受力不均发生局部失稳。模板下部的支撑梁变形过大，也会引起支撑架的变形。当特殊结构施工或支撑荷载较大时，支撑架要尽可能通过已具备一定强度的相邻构件（墙、柱等）实施卸载，并尽量与建筑物实现可靠连接。
（二）保证施工安全的管理措施
（1）模板支撑工程必须做到先设计后施工。设计内容应包括：
a.支撑系统强度计算
计算时应考虑：
①模板及支撑重量
②砼及钢筋自重
③施工人员和设备荷载
④砼倾倒和振捣产生的荷载
⑤风荷载
并按荷载的最不利状态和组合计算。
还必须以单扣件抗滑力小于8.5kN、双扣件抗滑力小于12kN，对扣件连接点进行验算。
b.支承模板支撑系统的楼、地面等的强度计算。
c.支撑材料的选用、规格尺寸、接头方法、水平杆步距和剪刀撑设置等构造措施。
d.绘制支撑布置图、细部构造大样图。
e.砼浇筑方法及程序、模板支撑的安装拆除顺序以及其他安全技术措施。
f.支撑系统安装验收方法和标准。
（2）将模板支撑工程施工列入危险作业管理范围。在签发“砼浇筑令”前，除对模板体系验收外，还必须对支撑体系实施整体验收，且技术设计人员必须参与验收。
（3）精心设计砼浇筑方案，确保模板支撑均衡受载，并优先考虑从中部开始向四周扩展的浇筑方法。在砼浇筑过程中，应派专业技术人员观测模板、支撑系统的应力、变形情况，发现异常应立即停工排险。
（4）对重点防范部位必须制订事故预案。
扣件式钢管模板支撑架坍塌重点防范部位一般包括：
①支撑高度大于4.5m或者高宽比≥6的支撑架
②社会影响较大工程。如市区中心、市民密集区、重大公共设施项目等。
③特殊结构工程如大跨度、大截面框架梁、大截面悬挑梁板、大跨度大面积浇筑的梁板结构等。
④作业环境恶劣、施工人员集中、施救困难的工程。
（三）扣件式钢管模板支撑架坍塌事故预案编制的基本内容和要求
（1）预案的基本内容
①重点防范部位概况
a.重点防范部位所处的区域位置、周围环境、施工通道。
b.重点防范部位作业性质、作业人数、使用工具、作业方法等。
②重点防范部位施工顺序
详细列出每项作业操作程序以及所涉及的工种。
③重点防范部位施工过程中的隐患
a.施工过程中每一行为可能造成的不良后果，以及可能引发的事故类型。
b.事故可能波及的范围。
④控制措施及责任人
针对隐患进行安全分析，制定出对应的控制措施以确保作业安全。为保证控制措施的落实，还须明确相应的责任人。
⑤施救措施
a.针对不同的施工行为、人员数量和事发类型、部位，制定出相应的施救方法。
b.对事发后可能出现的各种情况制定出预防事态扩大的措施。
c.针对事故发生的不同阶段可能出现的各种情况制定出预防事态恶化的措施。
d.确定施救和疏散人员、物资的办法和路线，以及紧急联络与通讯的方法。
e.施救过程中应注意的事项。
（2）预案的基本要求
①要有针对性和实用性
要针对不同的工程特点、不同的施工方法、不同的施工机具、不同的作业性质和不同的施工环境。预案要贯穿施工全过程，力求细致全面、具体。措施要简单易行，具有较强的操作性和实用性。
②确定最不利状态，进行科学的计算和分析。
在广泛调研的基础上，确定重点防范部位，以假设的最不利状态对模板支撑架进行强度计算和稳定性分析。并对可能出现的事故危害作出科学的评价，为施救措施的制订提供准确的依据。
③绘制预案实施网络图
根据假设的事故情况，确定所采取的预防手段，并以此绘制出预案实施网络图，以便操作和实施。预案制订后要进行审核，合格后才能投入应用。
④应随施工情况的变化而及时修订
预案经审定投入应用后若施工情况发生变化，要及时进行修订，以适应新情况下的安全需要。
第二部分 紧急救援系统的建立
由于模板支撑架坍塌发生后，施工人员常发生因异物吸入造成呼吸功能衰竭而死亡，本文案例11个死亡人员中因异物吸入致死的8人，占73%。从中可知事故发生后不能有效施救是造成惨案的又一原因，因此紧急救援系统的建立是减小伤亡的有效措施。模板支撑架坍塌事故紧急救援系统应包括：
（一）紧急设施
（1）事故报警系统
事故发生时，现场用于救助的报警装置。事故报警系统必须与工地的办公区、值班室、门卫等主要岗位相连。
（2）支撑应力监测及自动预警系统
用于自动监控模板支撑承载后的应力、变形，一旦应力、变形超出警戒值就予报警。
（3）紧急救援工具
主要是用于清除坝塌物的起重的切割机具。如千斤顶、起重葫芦、吊索具和金属切割机等。
（4）应急照明
用于事故现场紧急停电时以及救援时的照明。
（5）紧急医疗救护的基本器材，如急救药箱、担架等。
（二）紧急联络与通讯
发生事故需要外部救援时，除起动工地报警系统外，应拨打119报警和医疗救护120。同时按预案规定的通讯方法向有关部门联络。
（三）紧急撤离方法
撤离时以人员安全为主，不要急于抢救财物，并针对现场具体情况有序地向安全区域撤离。
（四）紧急工作组
紧急工作组的组成目的是对工地内可能发生的重大险情作出响应。其工作宗旨是减少人员伤亡，并关注财产损失和环境污染。紧急工作组成员必须经过紧急医疗救护和事故预案等紧急救援知识的培训，并能熟练掌握和运用。紧急工作组应经常组织培训和演习。
紧急工作组的组成和职责：
（1）救援组：主要负责人员和物质的抢救、疏散、排除险情及排除救援障碍。
（2）事故处理组：按事故预案使用各种安全可靠的手段，迅速控制事故的发展。并针对现场具体情况，向救援组提供相应的救援方法和必要的施救工具及条件。
（3）联络组：负责事故报警和上报，以及现场救援联络、后勤供应，接应外部专业救援单位施救。指挥、清点、联络各类人员。
（4）警戒组：主要负责安全警戒任务，维护事故现场秩序，劝退或撤离现场围观人员，禁止外人闯入现场保护区。
