三江口水電站隧洞內壓力鋼管運輸倒裝技術的實踐

戴鈞

（云南開遠一行電力有限責任公司，云南 開遠 661600）

三江口水電站隧洞內壓力鋼管運輸倒裝技術的實踐

戴鈞

（云南開遠一行電力有限責任公司，云南 開遠 661600）

介紹了采用“卷揚機--滑車組—臺車”系統將壓力鋼管管節運至安裝位置固定后再用手拉葫蘆、千斤頂等工具調整鋼管管節，按照設計圖紙要求就位的施工技術。解決了三江口水電站隧洞內大直徑壓力鋼管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積累了經驗。

三江口水電站；隧洞內大直徑鋼管；運輸；倒裝技術

1 概況

三江口水電站位于云南省墨江縣泗南江鄉附近、泗南江－阿墨江匯口以上約0.7 km的阿墨江河段上。電站開發方式為堤壩式，開發任務以發電為主。總庫容0.845 2億m3，水庫具有日調節性能。額定裝機容量99 MW（最大出力108 MW），保證出力33 MW、多年平均發電量4.24億kW·h，年利用小時數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、加勁環等組成（見圖1)，材料為16MnR。總凈重量為960 t。

本文主要介紹隧洞內壓力鋼管運輸、安裝技術。

圖1 三江口水電站壓力管道示意圖

2 隧洞內壓力鋼管

隧洞內壓力鋼管由上彎段、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壓力鋼管安裝圖

隧洞內壓力鋼管工程量見下頁表1。

3 隧洞內壓力鋼管運輸、安裝難點

（1）斜井段坡度為42°。

（2）壓力鋼管設計管徑為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到位固定后再順序安裝；管節重量造成運輸、固定難度較大。

（4）隧洞設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

為實現鋼管在隧洞內運輸，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、穩定運輸。

表1 隧洞內壓力鋼管工程量

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－牽引鋼絲繩通過導向滑輪的阻力。

卷揚機運行的摩擦阻力:

式中：G1--鋼管管節重量，取單重最大;即(11.8+1.17)×2=25.94 t（兩單節組成）;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，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,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；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；

牽引鋼絲繩通過導向滑輪的阻力：

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

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的動力。

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號管節位置處設一個轉向定滑輪（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，其優點是：結構緊湊、占地面積小；缺點是單一重量為6.5 t，不易搬運，特別是在隧洞內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2個20 t的平衡滑輪，在編號為84號管節位置處兩側壁上（高度約為3.8 m）各設置一組10 t的雙槽導向滑輪（該位置處同時要分別掛10 t手拉葫蘆，當鋼管段到達該位置時解除牽引鋼繩前固定管節用），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 隧洞內壓力鋼管運輸、安裝

6.1 運輸、安裝前準備工作

6.1.1 隧洞內壓力鋼管運輸安裝設備、器具

隧洞內壓力鋼管運輸安裝設備、器具見表2:

表2 壓力鋼管安裝用設備器具

6.1.2 地錨、天錨的設置

鋪設軌道前，裝設地錨、天錨。

1）安裝固定鋼管的天錨見圖6。按每2個管節組成一安裝單元的數量布置共36套天錨(左、右對稱)；在隧洞兩側打孔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；安裝管節單元時調整其幾何中心。

圖6 隧洞斜井段固定鋼管天錨安裝圖

2）安裝固定導向滑輪的天錨。在引水道0+159.502 m～0+222.036處設置12組(每組4處)天錨；用風鉆鉆出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。在鋼筋頭上焊環形鋼筋，分別掛上4個10 t兩輪定滑車,即導向輪、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）安裝斜井段始裝節天錨。在斜井段始裝節上游約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位置的隧洞內設置天錨,用來調整鋼管管口中心。

6.1.3 鋼管安裝控制點設置

安裝控制點按兩點一線或三點一面的原則設置，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核用。因此每鋼管節的上、下游管口分設4個控制點標記。由專職人員使用經緯儀等，將控制點設在預埋于兩側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。先根據始裝節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，在壓環縫時多少會發生一些偏移，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，應先找出鋼管的中心高程、起始點、轉角點位置,并做好標記。應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鋪設，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20～50 mm為宜，軌道下鋼枕間距為600～800 mm；鋼軌聯接采用魚尾板和螺栓連接，工字鋼采用連接腹板焊接。一側軌道安裝完畢，再按跨距安裝另一側。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（視現場地形確定），其下面用型鋼支撐牢固;鋼管節停放位置支撐受力點按珩架結構增加斜支撐加固，防止軌道變形。

6.2 隧洞內鋼管的運輸、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號管節為分斷點——始裝節，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，隧道內鋼管運輸的順序為上彎管——斜井段——下彎管——水平段。6.2.2隧洞鋼管安裝流程

1）114號管節安裝→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、樁號和環縫間隙。安裝時，利用千斤頂頂動鋼管，使其下中心對準底下的控制點。對準后，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。將始裝節的上、下游管口的幾何中心誤差調整至5 mm以內（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，進一步調整。這樣反復數次，中心、里程偏差在規范要求之內時，即可將臨時支腿焊固。使用型鋼將鋼管固定于預埋的型鋼和錨筋上。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）整條壓力鋼管設計無伸縮節。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，準確核出支管、主管安裝中心高程。

b.在支管安裝點設置安裝鋼馬櫈。

2）安裝過程中，除鋼管制作、安裝引起中心偏差外，還可能有下列現象發生：

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，鋼管發生位移而使中心產生偏差;

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，發生a現象的可能性增加。

對上述三種情況，應作以下處理：

a.外部支撐設計施工時盡可能穩定、可靠,防止混凝土澆筑時的上浮和左右側向位移等。

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、側翻，需根據實際情況，在洞側壁打上錨筋掛手拉葫蘆，以此來調整控制導向，使鋼管能正常、安全的下滑到位。

4）彎管安裝時要注意各節彎管下管口中心的吻合，當下彎管吊入就位后，將其下中心對準首裝節中心，使用千斤頂、手拉葫蘆等調整環縫間隙、高程、樁號、里程及環縫錯邊等。彎管安裝2～3節就應及時檢查調整高程、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荷和安裝效率，減少洞內焊接工作量，每個運輸管節由兩單元管節焊接組合成，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壁的錨樁上，用千斤頂將鋼管頂離運輸臺車，當運輸臺車加勁環越過小車位置后，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（114號、115號），始裝節鋼管里程偏差不應超過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，交相關部門驗收，土建澆灌混疑土保養到期后;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，使其滿足設計要求。定位焊，并安裝外支撐；正式焊接前再次復檢以確認其樁號、高程、中心位置和管口圓度均滿足設計要求。

6.5 環縫焊接

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（靠下彎管位置的第一節直管）安裝完成并澆筑混凝土后，在其內壁焊接米字形擋板，并用腳踏板封堵管節斷面。米字形擋板用規格為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）搭設管內施工活動操作平臺（含封堵板）及管外壁臨時施工平臺，其平臺搭設應牢固可靠，踏板平穩固定。

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

（3）卷揚機、手拉葫蘆是隧洞安裝過程中重要的設備，必須明確專人負責操作，操作人員要精神集中，聽從指揮，發現異常情況應立即停車。整個運輸過程由專人負責施號運輸，操作人員采用對講機聯絡，并在施工前對各有關人員統一號令方式；在轉彎改向、改換滑輪、改換卷揚機、管節安裝位置均設專人看守，確保運輸過程聯絡暢通及運輸安全。

（4）在正式運輸鋼管前,現場預先做空載運輸試驗，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，認真檢查卷揚機、錨樁、滑輪、軌道、鋼絲繩的運行情況，發現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 結論

通過上述隧洞鋼管運輸、安裝技術方案的實踐,用“卷揚機一滑車組一臺車”系統將壓力鋼管管節滑運至安裝位置固定后，再用手拉葫蘆、千斤頂等工具調整鋼管，按照設計圖紙要求就位的施工技術，解決了三江口水電站隧洞內大直徑鋼管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積累了經驗。

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[5]技工學校機械系通用教材編審委員會.焊工工藝學[M].北京：機械工業出版社，1980

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

[7]云南開遠電力修造公司.三江口電站壓力鋼管制造及安裝技術文件[Z],2008.

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、水工金屬結構制造安裝及檢修技術管理工作。