大型地下電站引水洞壓力鋼管安裝方案對比分析

易 志，劉益勇

（中國長江三峽集團公司，北京 100038）

0 引 言

我國西南部大部分在建或即將開工的大型水電站受到地形的限制，多數布置為地下電站。為保證洞室結構安全穩定，引水洞通常布置有壓力鋼管。壓力鋼管安裝方案與現場條件緊密相關，并直接影響工程質量、安全、進度和投資，因此必須因地制宜，研究工程所處邊界條件下的壓力鋼管最優安裝方案。

1 主要方案簡述

壓力鋼管安裝方案貫穿于鋼管制作、堆存、運輸、安裝的全過程，首先按照鋼管安裝的各道環節對方案進行歸納分類。

1.1 加工廠制作

大型地下電站壓力鋼管工程量較大，為保證生產能力和質量，一般都在洞外興建鋼管加工廠，進行工廠化生產，主要包括鋼板切割、卷板、拼裝、焊接、防腐、檢驗、堆存等工作內容。這一環節相對獨立，而且多為標準化操作，便于生產安排，制作進度適當超前于現場安裝即可。

此環節主要應考慮的是根據運輸條件確定出廠件的尺寸和質量，即按多大瓦片、單個管節或多個管節出廠。例如:彭水水電站以1/4和1/5圓的瓦片出廠，向家壩以半圓出廠，構皮灘以單個管節出廠，大朝山[1]則是將2個管節組焊后出廠。為減少后續洞內的焊接工作量，宜盡量以大尺寸出廠。

1.2 場內運輸

鋼管從加工廠運到安裝現場，一般采用平板拖車，有的工程還借助纜機、門塔機進行運輸。運輸前應查勘沿途道路、橋梁、隧洞，做好大件運輸專項措施。

1.3 現場組圓

三峽、溪洛渡、龍灘、錦屏一、二級等水電工程的壓力鋼管在加工廠組圓，省掉了現場組圓環節。而二灘、彭水、向家壩、烏東德等很多工程由于運輸安裝、土建施工等因素只能在加工廠制成瓦片在施工現場進行組圓。現場組圓 （洞外組圓歸入加工廠組圓）主要有上 （下）平段組圓和主廠房組圓兩種方式。

上 （下）平段組圓。將上 （下）平段及其施工支洞局部擴挖，布置組圓工位和運輸通道，設置天錨、地錨、軌道和卷揚機用于鋼管吊運、翻身和就位。其優點是將鋼管安裝在引水系統內部，不與其他部位施工產生干擾。缺點是隧洞擴挖和回填量較大，洞室空間較小，通風排煙困難，作業環境差，吊裝條件較差，組裝速度較慢。烏江彭水水電站將1、2號下平段擴挖布置成組圓平臺，并將部分支洞擴高，運送3～5號下平段的管節[2]，見圖1。

圖1 彭水水電站下平段組圓平臺

主廠房組圓。主廠房空間開闊，便于布置組圓工位和堆放場地，廠房橋機可作為吊裝設備，良好的作業環境有利于焊接質量，但主廠房組圓與混凝土澆筑、機電埋件安裝在場地和橋機使用上有所沖突，土建、金結專業的施工特點也將彼此干擾。因此該組圓方式對主廠房施工影響較大。二灘、向家壩等水電工程均在主廠房組圓。

組圓的傳統方式均為平面組圓，即將管節軸線垂直于地面擺放拼裝，然后翻身、吊裝。近年來研制成功的新型組圓臺車采用立面組圓，其實質是一個大型立式回轉平臺，配備專用的內外支撐、裝夾工具、低速超大扭矩旋轉設備、多臺自動焊機和傳感數控裝置，具有瓦片組對、縱縫自動焊接、自動調圓、加勁環組對和焊接等性能；臺車還可進一步升級具備行走功能，鋼管組圓后直接運送到安裝位置。新型組圓臺車提高了自動化水平，減小人力勞動強度，效率高，速度快；大部分焊縫采用自動埋弧焊，無弧光、煙塵小；臺車外形尺寸緊湊，而且鋼管立面擺放，若用于洞內組圓，擴挖和回填量遠小于傳統的平組方式。但其缺點也較明顯:臺車造價較高，通用性不強；臺車一旦發生故障，對施工影響較大。

1.4 就位安裝

1.4.1 運輸通道

鋼管組圓后主要有3種方式運至安裝位置。

（1）上平段進口送入。進水口引水渠場地開闊，一般裝有門塔機用于進水塔施工。鋼管運到進水口后，利用門塔機卸車、翻身，并吊放到上平段進口，牽引進洞。龍灘上平段鋼管采用此法。

（2）引水洞施工支洞送入。引水洞一般都會布置施工支洞作為通道，支洞擴挖后可運輸鋼管，例如錦屏二級水電站壓力鋼管從上、下施工支洞同時運輸鋼管[3]。需要注意的是，超大鋼管從引水洞上部經彎段和斜 （豎）井溜放到下部的過程，具有較大的安全風險和施工難度，須采取穩妥的施工措施。三峽地下電站上彎段以下設置鋼管，最大管徑13.5 m，管徑與管節軸線長度比值達13.5/2，最大溜放單元質量達 70 t，溜放傾角呈 0°～60°～0°變化；在洞內布置由天錨、卷揚機、滑輪組、滑軌、承載臺車等設施組成的起重系統，鋼管溜放取得成功。

（3）下平段末端送入。沿主廠房上游邊墻搭設接料平臺，利用主廠房橋機將管節吊放到接料平臺上，牽引進洞。二灘、向家壩采用此法。

以上運輸方式也經常結合使用，例如溪洛渡左岸電站，鋼管末節從下平段末端送入，其余管節通過下平段支洞運輸，方式 （1）、（3）分別對進水塔和主廠房施工有一定干擾。壓力鋼管管徑一般都是上游段大，下游段小，因此方式 （3）需擴挖尾部洞段滿足鋼管運輸，此外接料平臺也需投入一定成本。方式 （2）為鋼管安裝開辟獨立的工作面，不影響其他部位施工，而且可從支洞上、下游兩個方向同時運輸安裝，特別適合壓力鋼管長、安裝工期緊的情況；但其缺點是支洞擴挖和回填加大了施工成本，而且支洞與引水洞是串聯布置，各條引水洞難以同步施工；支洞與引水洞交叉處通常需設湊合節。

1.4.2 安裝 （回填）順序

各條引水洞的安裝順序若采用方式 （2）運輸鋼管，一般從支洞最里端的引水洞開始，依次后退進行各條引水洞鋼管安裝，并從里至外封堵支洞。為加快進度，也可多條引水洞一組同步施工，但存在一定干擾。若采用方式 （1）、（3）運輸鋼管，各條引水洞獨立進行鋼管安裝，生產組織較為方便。

對于單條引水洞管節的安裝順序，較為方便的是從運輸通道的遠端往近端后退安裝，一次運輸就位，大多數工程均是如此。向家壩水電站與此相反，管節從下平段末端往上游方向送入后，考慮到鋼管末端與蝸殼相接，對形位尺寸要求高，故將其作為定位節，所有管節先送入下平段堆存，再以末節為起點，從下游側往上游側逐節就位安裝，多出一道管節運輸就位的工序。

對于彎段、斜 （豎）井段鋼管的安裝，一般都是自下而上分段進行。二灘水電站下彎段和下平段布置壓力鋼管，下彎段采用了較為特殊的倒裝法[4]，如圖2所示。管節從下平段末端送入，首先用臺車和液壓推進器將管節A運至下彎段起始點，并用錨固裝置臨時固定；再將管節A向上游推進一個管節的距離,采用沿軌道布設的卡阻器固定后,撤回臺車和推進器，將管節B運送到位，與管節A拼裝；再將管節A+B往上游推進一個管節的距離并固定，將管節C運送到位拼裝，剩余管節同理進行。倒裝法避免了從上彎段下放管節占壓上部工作面，可上下同時施工。但若豎 （斜）井也有鋼管，所需頂推力和錨固力勢必增大，使此法難以實施。

圖2 二灘下彎段鋼管倒裝法示意

2 綜合方案選定

地下電站施工是多專業穿插進行的系統工程，壓力鋼管安裝應服從工程總體安排。前文單從鋼管安裝的各大環節論述了不同方案及適用條件，但前后環節之間相互影響、環環相扣，應將各個環節有機整合、通盤考慮，從鋼管安裝所處邊界條件，及其對周邊的影響兩個方面，綜合研究工程各方面因素，才能確定最優方案。表1列舉了具有代表性的安裝方案工程實例[4]。

3 工程實例

金沙江向家壩水電站總裝機容量640萬kW，其中右岸地下廠房安裝4臺單機容量80萬kW的機組，引水洞的下平段和少部分下彎段設置壓力鋼管，最大管徑14.4 m，為目前世界之最，施工難度較大。

投標方案中，壓力鋼管從引水洞進口運入，利用布置在引水渠的門塔機進行組圓和翻身，吊運到上平段洞口，卷揚機牽引滑軌車將管節自上平（彎）段、經斜井運至下平 （彎）段，調整就位后進行安裝。

實施階段對安裝方案進行了優化，加工廠內制作半圓，在主廠房布置平臺平面組圓，利用主廠房50 t施工橋機翻身，吊運到下平段末端的接料平臺上，再用卷揚機水平牽引到下平段內堆存，最后逐節就位安裝。主廠房組圓是該方案最關鍵的環節，必須具備以下條件:①主廠房開挖結束，組圓平臺形成；②引水洞斜井開挖完成，鋼管堆存和安裝不受影響；③主廠房橋機具備運行條件。同時鋼管安裝不得過多地影響主廠房工期，因為單從主廠房施工來講，開挖完成后便可進行肘管、錐管等機組埋件的安裝和混凝土澆筑，需占用主廠房大量場地，并頻繁使用橋機，這與鋼管組圓干擾較大，而主廠房正是向家壩首批機組投產的關鍵線路，所以應在主廠房后續工作最晚開工時間之前，消除壓力鋼管安裝對主廠房的干擾。

基于以上要求分析工期，根據類似工程經驗，單個管節在主廠房組圓占用6天直線工期，4條鋼管共分88節，若在主廠房布置3個平臺同時組圓，則工期為6個月，可滿足2009年6月～2009年底的工期要求，因此主廠房組圓方案是可行的。向家壩主廠房場地寬闊，可在安裝間和機組之間的隔墩上布置5個組圓平臺。按上述分析，即使所有管節送入下平段后，再啟動機組埋件安裝，3個組圓平臺即可滿足工期要求，穩妥起見，實際布置了5個平臺，加之機組埋件安裝與壓力鋼管安裝為同一施工單位，便于場地和橋機統一協調，因此，在鋼管安裝的同時進行肘管、錐管的安裝，進一步節省了主廠房直線工期。

表1 各大地下電站壓力鋼管安裝方案

方案優化后優勢明顯[5]，實際施工過程也非常順利，電站已于2012年11月投產發電。對比原方案，主廠房組圓方案對主廠房的影響在可接受范圍，工期有保障；投標方案在斜井和上、下彎段溜放時的安全風險和施工難度很大，尚無φ14 m以上鋼管溜放的先例，而實施方案避開了這一難題；投標方案在引水渠露天組圓，氣象因素對焊接質量影響較大，在主廠房組圓基本等同于加工廠作業環境，有利于焊接質量；方案調整后節省投資200余萬元。

4 結論及建議

（1）壓力鋼管各種安裝方案有其優缺點和適用條件，要充分考慮各道環節的制約因素和前后環節之間的關系，綜合研究工程各方面因素，使方案總體最優。

（2）不論采用何種方案，宜提前研究運輸通道和組圓場地，盡量在洞室開挖期間一次開挖到位，避免二次擴挖。

（3）應將鋼管安裝方案與相關部位土建施工方案統籌考慮，起吊設備、配套設施能夠金結與土建兼顧，使投資最省，施工更為方便。例如，鋼管從進水口送入的方案，門塔機兼用于鋼管吊運和進水塔混凝土澆筑；斜井溜放鋼管所需的天錨、卷揚機等設施，還可兼用于斜井襯砌澆筑。

［1］劉毓書.大朝山水電站引水壓力鋼管的安裝［J］.水電站機電技術.2005，28（4）:131.

［2］趙云德.等.彭水水電站14 m直徑壓力鋼管制造安裝［J］.四川水力發電.2008，27（6）:17.

［3］李東.錦屏二級水電站豎井段壓力鋼管的安裝方法［J］.四川水力發電.2012，31（2）:67.

［4］鄧亞軍.二灘水電站壓力鋼管施工 ［J］.水電站機電技術.2001，（1）:56-57.

［5］孫文，等.向家壩水電站超大直徑引水隧洞壓力鋼管制作與安裝［J］.水電站機電技術.2011，34（4）:41-42.