戴鈞

（云南開遠一行電力有限責(zé)任公司，云南 開遠 661600）

三江口水電站隧洞內(nèi)壓力鋼管運輸?shù)寡b技術(shù)的實踐

戴鈞

（云南開遠一行電力有限責(zé)任公司，云南 開遠 661600）

介紹了采用“卷揚機--滑車組—臺車”系統(tǒng)將壓力鋼管管節(jié)運至安裝位置固定后再用手拉葫蘆、千斤頂?shù)裙ぞ哒{(diào)整鋼管管節(jié)，按照設(shè)計圖紙要求就位的施工技術(shù)。解決了三江口水電站隧洞內(nèi)大直徑壓力鋼管φ7 500 mm在大傾角42°斜面上倒裝壓力鋼管運輸、安裝的難題;為水電站壓力鋼管的安裝施工技術(shù)積累了經(jīng)驗。

三江口水電站；隧洞內(nèi)大直徑鋼管；運輸；倒裝技術(shù)

1 概況

三江口水電站位于云南省墨江縣泗南江鄉(xiāng)附近、泗南江－阿墨江匯口以上約0.7 km的阿墨江河段上。電站開發(fā)方式為堤壩式，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主?？値烊?.845 2億m3，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。額定裝機容量99 MW（最大出力108 MW），保證出力33 MW、多年平均發(fā)電量4.24億kW·h，年利用小時數(shù)4 000 h。

三江口水電站壓力鋼管由主管、主岔管、次岔管、三個支管、加勁環(huán)等組成（見圖1)，材料為16MnR?？們糁亓繛?60 t。

本文主要介紹隧洞內(nèi)壓力鋼管運輸、安裝技術(shù)。

圖1 三江口水電站壓力管道示意圖

2 隧洞內(nèi)壓力鋼管

隧洞內(nèi)壓力鋼管由上彎段、斜井段、下彎段、下平段組成，布置見圖2所示。

圖2 三江口水電站隧洞內(nèi)壓力鋼管安裝圖

隧洞內(nèi)壓力鋼管工程量見下頁表1。

3 隧洞內(nèi)壓力鋼管運輸、安裝難點

（1）斜井段坡度為42°。

（2）壓力鋼管設(shè)計管徑為φ7 500 mm，整條鋼管無支墩和支座；

（3）受施工條件限制壓力鋼管不能從下游向上游順序安裝，只能由下游洞口向上游運輸?shù)轿还潭ê笤夙樞虬惭b；管節(jié)重量造成運輸、固定難度較大。

（4）隧洞設(shè)計混凝土襯砌后洞徑為φ8 500 mm,與壓力鋼管單面間隙僅有500 mm；

（5）隧洞開挖成形差，部分洞身偏離軸線，局部凸出150～300 mm；斜井段洞徑底部局部偏差有500～800 mm凹坑；斜井段表面噴漿保護，水平段部分混凝土襯砌。

4 核算卷揚機牽引力和牽引鋼絲繩

為實現(xiàn)鋼管在隧洞內(nèi)運輸，采用卷揚機牽引運輸臺車完成鋼管運輸就位,需要確定卷揚機的牽引力大小，來確保卷揚機功率滿足鋼管安全、可靠、穩(wěn)定運輸。

表1 隧洞內(nèi)壓力鋼管工程量

4.1 核算卷揚機牽引力

運輸臺車承載鋼管節(jié)在運輸過程中，需要的牽引力隨著運動軌跡而變化，牽引力需要克服運輸臺車的運行阻力和導(dǎo)向滑輪阻力,從受力分析見圖3可知，臺車承載鋼管運輸過程中起動時的摩擦阻力大于運動中的動摩擦力,在靜力條件下所需要克服阻力最大，在靜力條件下卷揚機牽引力計算加下：

圖3 運輸臺車承載鋼管節(jié)受力分析圖

卷揚機牽引力的計算:

式中：P－卷揚機牽引力;Pf－卷揚機運行的摩擦阻力;PP－自制臺車重力的斜坡分力;Pμ－牽引鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪的阻力。

卷揚機運行的摩擦阻力:

式中：G1--鋼管管節(jié)重量，取單重最大;即(11.8+1.17)×2=25.94 t（兩單節(jié)組成）;G2--自制臺車重量5 t；α--管道坡度與水平面夾角α=420；μ--軸承摩擦系數(shù)，滑動軸承μ=0.08；D--車輪直徑400 mm；d--輪軸直徑100 mm；K--滾動摩擦系數(shù),鋼軌為平頭鋼軌，車輪直徑400～500 mm，車輪材料鑄鋼，μ=0.5；Kf--輪緣附加摩擦阻力系數(shù)；對于滾動軸承，Kf=1.5～2.0;對于滑動軸承，Kf=1.2～1.3；有彎道時取大值;

自制臺車重力的斜坡分力：

式中：G3—鋼絲繩在管道坡上的最大長度的重量,鋼絲繩規(guī)格型號6w（19）-1 550；Q－鋼絲繩單位長度的重量0.4 093 kg/m;Lmax－管道坡的總長70 m；

牽引鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪的阻力：

式中:ε—滑輪阻力系數(shù),采用滾動軸承ε=0.02，采用滑動軸承ε=0.05；n—導(dǎo)向滑輪數(shù);Pμ---牽引鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪的阻力;

故在靜力條件下,卷揚機的牽引力：

在實際運用中考慮各種不可預(yù)見因素，取實際牽引力為理論計算的1.5倍以上。由此選擇卷揚機的牽升力為100 kN(10 t)的2臺，2組動滑輪,組成鋼管在彎道上運輸?shù)膭恿Α?/p>

4.2 校核牽引鋼絲繩

選擇牽引鋼絲繩為直徑d＝34 mm,牽引鋼絲繩的破斷拉力：

安全系數(shù)K＝8時，牽引鋼絲繩允許拉力：

故選擇牽引鋼絲繩為直徑d＝34 mm，滿足要求。

5 隧洞壓力鋼管牽引運輸方案

5.1 水平段牽引運輸方案

水平段采用一臺80 kN(8 t)卷揚機作牽引動力，在編號為105號管節(jié)位置處設(shè)一個轉(zhuǎn)向定滑輪（如圖4示），該定滑輪用一組三棵直徑φ40 mm，長1 500 mm的錨樁固定在隧洞底部，卷揚機安裝在洞口外靠近副廠房的附近位置，固定方式為卷揚機前面打兩棵直徑φ40 mm長1 200 mm的錨樁，后面打兩組（一組三棵直徑φ30 mm長1 200 mm）的樁穩(wěn)住。該定滑輪在水平段鋼管道安裝過程中，隨著鋼管二次混疑土的澆灌逐步依次外移。

圖4 隧洞水平段壓力鋼管牽引運輸示意圖

5.2 斜井段的牽引運輸方案

斜井段采用“卷揚機—滑車組—臺車”牽引方案。

若釆用一臺200 kN(20 t)卷揚機作為牽引動力，其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積??；缺點是單一重量為6.5 t，不易搬運，特別是在隧洞內(nèi)斜坡上搬動難度更大；

若用2臺100 kN(10 t)卷揚機作為牽引動力，其優(yōu)點是單一重量僅為1.8 t，與200 kN(20 t)卷揚機相比在隧洞內(nèi)斜坡上搬動較容易；缺點是占地面積大、2臺卷揚機速度同步有偏差；

由此，斜井段的牽引運輸選用2臺100 kN(10 t)卷揚機作牽引動力，在每臺卷揚機的前方裝設(shè)2個20 t的平衡滑輪，在編號為84號管節(jié)位置處兩側(cè)壁上（高度約為3.8 m）各設(shè)置一組10 t的雙槽導(dǎo)向滑輪（該位置處同時要分別掛10 t手拉葫蘆，當(dāng)鋼管段到達該位置時解除牽引鋼繩前固定管節(jié)用），然后再通過兩組動滑輪與鋼管相連（如圖5示）。本方案中，受力最大的是2個平衡輪，每個平衡輪受力為15 t，因此，固定每個平衡輪的錨樁所受橫向力不得小15t，每臺卷揚機的受力不小于8 t，固定每臺卷揚機的樁錨能承受的拉力不得低于10 t。

圖5 隧洞斜井段壓力鋼管牽引運輸示意圖

6 隧洞內(nèi)壓力鋼管運輸、安裝

6.1 運輸、安裝前準(zhǔn)備工作

6.1.1 隧洞內(nèi)壓力鋼管運輸安裝設(shè)備、器具

隧洞內(nèi)壓力鋼管運輸安裝設(shè)備、器具見表2:

表2 壓力鋼管安裝用設(shè)備器具

6.1.2 地錨、天錨的設(shè)置

鋪設(shè)軌道前，裝設(shè)地錨、天錨。

1）安裝固定鋼管的天錨見圖6。按每2個管節(jié)組成一安裝單元的數(shù)量布置共36套天錨(左、右對稱)；在隧洞兩側(cè)打孔φ40mm，深3.1m，安裝φ28mm，長3 m的螺紋鋼，端部露出120～150 mm，二次灌漿錨固。其次，焊接三角塊（帶φ20 mm圓鋼彎制的吊耳）于φ28 mm螺紋鋼端部。用來固定臨時擺放的上彎管、斜直管、下彎管的安裝單元；安裝管節(jié)單元時調(diào)整其幾何中心。

圖6 隧洞斜井段固定鋼管天錨安裝圖

2）安裝固定導(dǎo)向滑輪的天錨。在引水道0+159.502 m～0+222.036處設(shè)置12組(每組4處)天錨；用風(fēng)鉆鉆出4個深4 m直徑φ40的兩組錨孔。錨孔相距1.5 m，斜向上游約30°，在錨孔內(nèi)分別埋入4棵φ32×4 m的螺紋鋼(需露出150～200 mm鋼筋)，注人膨脹藥固定。在鋼筋頭上焊環(huán)形鋼筋，分別掛上4個10 t兩輪定滑車,即導(dǎo)向輪、動滑輪各2個。

3）安裝固定卷揚機的地錨。在上游距引0+147.540 m處裝2組地錨固定100 kN(10 t)噸卷揚機。

4）安裝斜井段始裝節(jié)天錨。在斜井段始裝節(jié)上游約2 m處裝一組天錨在隧洞的腰線處；

5）安裝下平段天錨。在下平段中心線的延長線與洞壁交點處的腰線相應(yīng)位置的隧洞內(nèi)設(shè)置天錨,用來調(diào)整鋼管管口中心。

6.1.3 鋼管安裝控制點設(shè)置

安裝控制點按兩點一線或三點一面的原則設(shè)置，以控制管口的水平度與軸線的垂直度；同時還需要增加一點校驗復(fù)核用。因此每鋼管節(jié)的上、下游管口分設(shè)4個控制點標(biāo)記。由專職人員使用經(jīng)緯儀等，將控制點設(shè)在預(yù)埋于兩側(cè)和底部混凝土中的小鐵板上或平整的混凝土面上，用洋沖眼和紅鉛油明顯標(biāo)注，并注意保護，防止因磨損或水沖而丟失。

由于斜直段隧洞約有42°傾角，鋼管能否安全運輸直接影響整個安裝工作。先根據(jù)始裝節(jié)的上游管底測量控制點，測放出斜直段的終點管底高程，將此與斜直段的起點管底控制點相連即為斜直段的管底中心線，以此定位斜直段。

1）水平管、下彎管的下半部份，上彎管的上半部分及進水口的斜平段，4個安裝點是：上、下垂線作為2個點，水平線向下平移2 m作為2個點，其中上垂點作校對用，其余3點為安裝點。

2）上彎管的下半部份，下彎管的上半部份，斜直段的十字線作為4個點控制。彎管段上頂、下底、左平、右平點為控制點。

3）安裝點線的誤差＜1 mm。

4）管口上的安裝點線，在壓環(huán)縫時多少會發(fā)生一些偏移，宜在管段定位后重新測定修正管口下垂中心點，再按實際管口外圓周長分出或測定中心點。

6.1.4 軌道安裝

軌道安裝前，應(yīng)先找出鋼管的中心高程、起始點、轉(zhuǎn)角點位置,并做好標(biāo)記。應(yīng)按圖紙檢查地面高程，不符合要求的需進行處理。水平段采用43 kg/m的重型鋼軌，斜井段采用20號工字鋼做軌道。因在斜井段有兩個中心半徑R30 m、角度分別為43°和48°的彎管，因此，在鋼軌鋪設(shè)前將該位置處的軌道先按其半徑和角度冷煨成型。

為使鋼管順利滑移就位，軌道以管道中心線為基準(zhǔn)鋪設(shè)，中心距為3 700 mm，軌道中心線與鋼管安裝中心線重合，其誤差小于5 mm；安裝時，從距離隧洞出口8 m處開始，從水平段隧洞口開始向里安裝;軌頂高程尺寸控制在以低于該位置處鋼管加勁環(huán)20～50 mm為宜，軌道下鋼枕間距為600～800 mm；鋼軌聯(lián)接采用魚尾板和螺栓連接，工字鋼采用連接腹板焊接。一側(cè)軌道安裝完畢，再按跨距安裝另一側(cè)。斜井段軌道需承受該段上所有鋼管的重量；故每間隔1.5～2.5 m（視現(xiàn)場地形確定），其下面用型鋼支撐牢固;鋼管節(jié)停放位置支撐受力點按珩架結(jié)構(gòu)增加斜支撐加固，防止軌道變形。

6.2 隧洞內(nèi)鋼管的運輸、安裝

6.2.1 隧洞鋼管運輸安裝順序

隧洞鋼管的安裝分兩個工作面進行，以編號為114號管節(jié)為分?jǐn)帱c——始裝節(jié)，從此往上游為斜井段安裝，往下游為水平段安裝，兩個工作面的鋼管運輸皆從副廠房旁的隧洞口進入，隧道內(nèi)鋼管運輸?shù)捻樞驗樯蠌澒堋本巍聫澒堋蕉巍?.2.2隧洞鋼管安裝流程

1）114號管節(jié)安裝→二次混凝土澆灌→下彎管下段安裝→二次澆灌→下彎管上段安裝→二次澆灌→上彎管下段安裝→二次澆灌→上彎管上段安裝→二次澆灌；

2）114號管節(jié)安裝→水平段上游段安裝→二次澆灌→水平段下游段安裝→二次澆灌。

6.2.3 鋼管安裝

鋼管安裝的要點是控制中心、高程、里程、樁號和環(huán)縫間隙。安裝時，利用千斤頂頂動鋼管，使其下中心對準(zhǔn)底下的控制點。對準(zhǔn)后，再用千斤頂將鋼管均勻頂至要求的高程，焊上臨時支腿，撤去千斤頂重新檢查中心、里程和傾斜度。將始裝節(jié)的上、下游管口的幾何中心誤差調(diào)整至5 mm以內(nèi)（運用中垂線原理，采用水平儀、吊線錘、鋼卷尺）便可將臨時活動支腿焊死，若有誤差，進一步調(diào)整。這樣反復(fù)數(shù)次，中心、里程偏差在規(guī)范要求之內(nèi)時，即可將臨時支腿焊固。使用型鋼將鋼管固定于預(yù)埋的型鋼和錨筋上。人工壓碼對縫，焊接完成安裝。加固后，再復(fù)檢中心高程、里程和傾斜，作出記錄。

鋼管安裝必須滿足DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》。

6.2.4 壓力鋼管安裝時，需要注意以下幾點：

1）整條壓力鋼管設(shè)計無伸縮節(jié)。故支管安裝精度要求高。在安裝時，以與水輪機組蝴蝶閥軸線為中心，逐步向后安裝。所采取的措施是:

a.核實水輪機機組中心位置和高程，準(zhǔn)確核出支管、主管安裝中心高程。

b.在支管安裝點設(shè)置安裝鋼馬櫈。

2）安裝過程中，除鋼管制作、安裝引起中心偏差外，還可能有下列現(xiàn)象發(fā)生：

a.外部支撐不牢固或支撐點巖石松動等，鋼管在自重的作用下引起位移偏差。

b.在混凝土澆筑時外部支撐不牢，鋼管發(fā)生位移而使中心產(chǎn)生偏差;

c.鋼管安裝較長后才澆筑混凝土。這時鋼管越長重量就越大,間隔時間很長，發(fā)生a現(xiàn)象的可能性增加。

對上述三種情況，應(yīng)作以下處理：

a.外部支撐設(shè)計施工時盡可能穩(wěn)定、可靠,防止混凝土澆筑時的上浮和左右側(cè)向位移等。

b.縮短混凝土澆筑周期。安裝鋼管長度為15～18m時澆筑一次混凝土。鋼管安裝后7 d即澆筑混凝土。從而減少外部因素影響引起鋼管中心偏移的可能性。

3）斜井段上鋼管在下滑的過程中容易偏移、側(cè)翻，需根據(jù)實際情況，在洞側(cè)壁打上錨筋掛手拉葫蘆，以此來調(diào)整控制導(dǎo)向，使鋼管能正常、安全的下滑到位。

4）彎管安裝時要注意各節(jié)彎管下管口中心的吻合，當(dāng)下彎管吊入就位后，將其下中心對準(zhǔn)首裝節(jié)中心，使用千斤頂、手拉葫蘆等調(diào)整環(huán)縫間隙、高程、樁號、里程及環(huán)縫錯邊等。彎管安裝2～3節(jié)就應(yīng)及時檢查調(diào)整高程、里程、樁號等，以免造成誤差累積，處理困難，并在二次混凝土澆灌后復(fù)查。

6.3 斜井段鋼管運輸固定就位

（1）斜井段鋼管安裝考慮運輸負(fù)荷和安裝效率，減少洞內(nèi)焊接工作量，每個運輸管節(jié)由兩單元管節(jié)焊接組合成，共有17.5件。鋼管在隧洞外裝上鋼管運輸臺車，捆扎牢固后，用水平段卷揚機拉運至編號為105號管節(jié)處，然后換為斜井段卷揚機進行牽引至存放位置處。其中第1件（79號、80號）、第2件（81號、82號）、第3件（83號、84號）鋼管應(yīng)存放到漸變段位置處，以后各件按順序依次拉入存放位置，存放時相鄰兩件管口留200～300 mm間隙，導(dǎo)向滑輪處為了不影響鋼管拖運，該處與管口距離可為1 000 mm。

（2）鋼管在斜井段的拖運過程中，運輸臺車運行的角度隨鋼管而變動,坡度的變化其重心也不斷變化;為防止運輸臺車鋼管產(chǎn)生傾倒，在鋼管上端采用2個5 t手拉葫蘆對牽引繩進行調(diào)整,以此來改變運輸臺車的牽引角度保證運輸臺車運行順暢。

（3）鋼管拉至擺放位置后，用鋼繩將鋼管分別固定到隧洞側(cè)壁的錨樁上，用千斤頂將鋼管頂離運輸臺車，當(dāng)運輸臺車加勁環(huán)越過小車位置后，用葫蘆牽引將運輸臺車退出，然后收起千斤頂，把管子緩慢放至軌道上。用三角擋塊止定，三角擋塊與軌道外壁及加勁環(huán)焊牢，然后松開卷揚機；在鋼管放至軌道之前，不能卸去卷揚機的牽引力，以防意外產(chǎn)生。

（4）斜井段所有的鋼管拉運擺放固定完成后，開始安裝始裝管節(jié)（114號、115號），始裝節(jié)鋼管里程偏差不應(yīng)超過10 mm，中心偏差不超過25 mm，兩管口垂直度偏差不超過3 mm。各部位尺寸檢驗合格、鋼管加固、探傷檢驗合格后，交相關(guān)部門驗收，土建澆灌混疑土保養(yǎng)到期后;斜井段開始向上游安裝鋼管。

6.4 水平段鋼管的運輸、安裝

利用4個10 t千斤頂和與管殼具有相同弧度的托粱將安裝單元托起，將4只鐵鞋安放在加勁環(huán)上(前后各安放2只)，同時將就位運輸臺車與安裝單元相連，用卷揚機牽引裝置通過鋼絲繩將安裝單元就位。在內(nèi)支撐上搭建腳手架，安裝壓縫裝置。使用千斤頂和手拉葫蘆調(diào)整安裝單元的位置，測量安裝單元的樁號、高程、中心位置和管口圓度，使其滿足設(shè)計要求。定位焊，并安裝外支撐；正式焊接前再次復(fù)檢以確認(rèn)其樁號、高程、中心位置和管口圓度均滿足設(shè)計要求。

6.5 環(huán)縫焊接

按DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》實施。

6.6 隧洞鋼管安裝特殊安全措施

（1）斜井段為42°陡坡，施工人員在此坡度工作站立困難，且安裝過程中人員上下頻繁，故斜井段鋼管安裝前，先完成如下安全設(shè)施：

1）進出斜井段行走爬梯。

2）為防止斜井段安裝過程中雜物落下傷及下游安裝人員，在鋼管始裝節(jié)（靠下彎管位置的第一節(jié)直管）安裝完成并澆筑混凝土后，在其內(nèi)壁焊接米字形擋板，并用腳踏板封堵管節(jié)斷面。米字形擋板用規(guī)格為L100×8的角鋼或其它材料制造，封堵腳踏板（方木）厚度不小于50 mm。

3）搭設(shè)管內(nèi)施工活動操作平臺（含封堵板）及管外壁臨時施工平臺，其平臺搭設(shè)應(yīng)牢固可靠，踏板平穩(wěn)固定。

（2）在鋼管上拉和下滑過程中，要有隨鋼管同行的監(jiān)視人員，監(jiān)視人員位置處于鋼管上方，不能站在鋼管下面和側(cè)面。鋼管在移動過程中，不允許施工人員在下面作業(yè)。

（3）卷揚機、手拉葫蘆是隧洞安裝過程中重要的設(shè)備，必須明確專人負(fù)責(zé)操作，操作人員要精神集中，聽從指揮，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即停車。整個運輸過程由專人負(fù)責(zé)施號運輸，操作人員采用對講機聯(lián)絡(luò)，并在施工前對各有關(guān)人員統(tǒng)一號令方式；在轉(zhuǎn)彎改向、改換滑輪、改換卷揚機、管節(jié)安裝位置均設(shè)專人看守，確保運輸過程聯(lián)絡(luò)暢通及運輸安全。

（4）在正式運輸鋼管前,現(xiàn)場預(yù)先做空載運輸試驗，空載運輸試驗無異常后，再做有載荷運輸試驗,試驗完成無異常后，認(rèn)真檢查卷揚機、錨樁、滑輪、軌道、鋼絲繩的運行情況，發(fā)現(xiàn)不順暢或缺陷立即整改或改進，確保運輸工作安全、順利就位。

7 結(jié)論

通過上述隧洞鋼管運輸、安裝技術(shù)方案的實踐,用“卷揚機一滑車組一臺車”系統(tǒng)將壓力鋼管管節(jié)滑運至安裝位置固定后，再用手拉葫蘆、千斤頂?shù)裙ぞ哒{(diào)整鋼管，按照設(shè)計圖紙要求就位的施工技術(shù)，解決了三江口水電站隧洞內(nèi)大直徑鋼管φ7500 mm在大傾角42°的斜面倒裝壓力鋼管運輸、安裝的難點，為水電站壓力鋼管的安裝施工技術(shù)積累了經(jīng)驗。

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[6]DL/T5017-2007水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范[S].

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TV547.2

B

1672-5387（2017）08-0048-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.015

2017-04-25

戴 鈞（1961-），男，高級工程師，從事機械加工、水工金屬結(jié)構(gòu)制造安裝及檢修技術(shù)管理工作。