烏東德水電站φ 13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐施工技術(shù)

劉 科，彭智祥，宛良朋，彭 鵬

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610042；2.成都阿朗科技有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

金沙江烏東德水電站工程左岸廠房壓力鋼管為φ13.5 m超大直徑的洞內(nèi)埋設(shè)引水鋼管，分布在6條隧洞內(nèi)，總工程量6 600 t。地下引水發(fā)電系統(tǒng)鋼管的最大設(shè)計水頭約200 m(含水錘升壓)，布置在隧洞下平段，位于帷幕下游至機組蝸殼之間，按管節(jié)長3 m制造安裝，其最大管節(jié)單元尺寸為3×φ14.32 m，重量約71 t，參見表1。根據(jù)工程需要，采取了洞內(nèi)組圓臺車組焊鋼管的先進工藝。

表1 金沙江烏東德電站左岸引水壓力鋼管工程參數(shù)表

1 國內(nèi)近年類似的工程經(jīng)驗

壓力鋼管制造安裝內(nèi)支撐是一般要求，最早見于鋼管施工規(guī)范，后在鋼管設(shè)計規(guī)范中有相應(yīng)的要求，其目的為解決運輸變形和混凝土施工期間的剛性不足。隨著水電工程技術(shù)的不斷進步，自新疆恰甫其海電站等工程開始，在工程中逐步摸索取消內(nèi)支撐的方法。以恰甫其海水電站的壓力鋼管內(nèi)徑為9.5 m為例，制造階段采用試驗的方式檢驗了水平放置與垂直放置狀態(tài)管徑變化量，并用預(yù)變形的方式控制安裝直徑偏差，獲得了預(yù)期的效果。后期在較多的工程項目中得到進一步的應(yīng)用。然而，在國內(nèi)水電工程行業(yè)中，由于對鋼管施工是否必須采取內(nèi)支撐缺乏足夠的認識，導(dǎo)致近10年來，一部分大直徑的鋼管工程進行了內(nèi)支撐優(yōu)化或取消，另一部分則堅持按照設(shè)計規(guī)范中要求采用，甚至在很多較小直徑的鋼管中保持安裝內(nèi)支撐的工藝(見表2)。2012年，自梨園電站開始，中國水電建設(shè)行業(yè)逐步探索形成了在現(xiàn)場進行自動化組圓焊接鋼管的新工藝(見表2)，在黃金坪等項目進一步應(yīng)用。因能夠在安裝現(xiàn)場將瓦片直接進行組圓和焊接，再用軌道運輸?shù)姆绞剑瑢喂?jié)或多節(jié)鋼管進行安裝，縮短了生產(chǎn)鏈，與此新工藝相適應(yīng)的顯然是無內(nèi)支撐的施工技術(shù)[1-6]。

表2 中國近年來水電站洞內(nèi)壓力鋼管工程參數(shù)及內(nèi)支撐應(yīng)用狀況統(tǒng)計表

2 烏東德電站洞內(nèi)φ 13.5 m超大型壓力鋼管無支撐施工的技術(shù)特點

2.1 可行性研究與計算分析

在利用已有無鋼管安裝支撐工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深化研究，以解決整個施工階段的鋼管剛度為核心，利用現(xiàn)代仿真技術(shù)進行計算和仿真，再用于指導(dǎo)施工。

1)鋼管組圓階段。根據(jù)烏東德直徑φ13.5 m鋼管現(xiàn)場組焊工藝，采用超大型鋼管組圓臺車將瓦片夾持在頂梁上之后，進行組對和縱縫焊接，其內(nèi)部支撐依靠2×12個均勻分布的φ280 mm厚壁鋼管做為主要支撐體系，確保制造過程符合設(shè)計規(guī)范和制造安裝規(guī)范要求。鋼管組圓階段仿真計算成果如圖1所示。

2)鋼管運輸階段。組焊完成后，鋼管脫離組圓臺車，由多功能滾焊臺車上4個均勻分布的滾輪支承。計算分析表明，運輸階段鋼管的系統(tǒng)剛度主要依靠其設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性，與加勁環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系密切。受自重影響，鋼管頂部必然出現(xiàn)一定的下垂量，但屬于鋼材正常的彈性范圍且應(yīng)力值小。值得注意的是，與傳統(tǒng)的鋼管組焊工藝不同的是，洞內(nèi)組焊工藝沒有翻轉(zhuǎn)鋼管的要求，也不會發(fā)生吊裝產(chǎn)生局部塑形變形的風(fēng)險。鋼管運輸階段仿真計算成果如圖2所示。

圖1 鋼管組圓階段變形圖

圖2 鋼管運輸階段變形圖

3)鋼管安裝階段。這個過程最主要的工作是消除鋼管頂部的下垂量，并使后期施工保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，圖3為直徑φ13.5 m鋼管管頂?shù)撞捎?50 kN頂升力調(diào)圓后的變形圖。按照規(guī)范要求，具體分為兩個階段實施，第一是首節(jié)鋼管安裝，洞內(nèi)埋管能夠在外壁或加勁環(huán)與洞壁錨桿之間焊接拉桿，一方面穩(wěn)定鋼管的安裝位置，另一方面使鋼管的整體剛度增加。仿真計算結(jié)果表明，適當條件下，若單節(jié)鋼管外壁上的均分拉桿數(shù)量達到8個或以上時，足以達到鋼管施工所需的受力要求。第二是后續(xù)鋼管節(jié)安裝，將鋼管依次安裝到位，與前一節(jié)鋼管進行組對焊接，逐步對鋼管進行加固。

4)鋼管外壁混凝土回填澆筑階段。與鋼管安裝相似，分兩個階段進行，第一個是首個管節(jié)段澆筑，第二個是后續(xù)的分段澆筑。首個階段的澆筑以控制鋼管變形為主要目標，重點需要研究澆筑工藝對鋼管圓度的影響，根據(jù)施工仿真結(jié)果，決定是否增設(shè)簡易內(nèi)支撐。分析數(shù)據(jù)表明，在使用相同材料條件下，隨著鋼管直徑增加，內(nèi)支撐的剛性作用逐步減弱。后續(xù)澆筑時，充分利用前一段已經(jīng)澆筑固定鋼管的剛度，只需嚴格按照設(shè)定的分倉澆筑工藝進行，就能夠滿足鋼管施工規(guī)范要求，圖4為后續(xù)鋼管混凝土澆筑完成后的變形，圖5為鋼管外支撐承受最大徑向應(yīng)力——澆筑前鋼管受重力下垂階段。分析數(shù)據(jù)表明，在使用相同結(jié)構(gòu)和工藝條件下，隨著鋼管直徑增加，前一節(jié)鋼管的剛性固定作用相應(yīng)增加。

圖4 直徑φ 13.5 m鋼管澆筑完成變形圖

圖5 直徑φ 13.5 m鋼管外支撐最大徑向應(yīng)力圖(澆筑前受自重下垂)

2.2 鋼管工程實施過程

根據(jù)上一節(jié)可行性分析結(jié)果，烏東德水電站左岸洞內(nèi)埋藏式壓力鋼管按照下述工序順利完成了無內(nèi)支撐條件下回填混凝土澆筑，取得了非常好的效果。

1)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管組焊。多功能小車先通過提升機將瓦片從平板運輸車上接料后進行軌道運輸，瓦片及小車穿越設(shè)備橫梁下部之后，在回轉(zhuǎn)內(nèi)支撐的作用下，瓦片與頂梁按照工藝要求進行裝夾，3個瓦片組圓對接并完成檢查尺寸后，采用埋弧自動焊進行焊接縱縫。

2)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管運輸。由多功能小車將鋼管從組圓專機上運輸?shù)桨惭b位置，根據(jù)需要進行高度或左右方向的微調(diào)。鋼管受4個液壓裝置形成的支點支承，實測變形量為25～32 mm，與計算結(jié)論基本吻合。

3)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管安裝。用型鋼將鋼管外壁與錨桿進行焊接，確保安裝位置和尺寸符合設(shè)計和規(guī)范要求。在鋼管內(nèi)部安裝了臨時作業(yè)支架，包括調(diào)圓支架、焊接平臺等，底部設(shè)置了行走輪，便于調(diào)圓、對縫和焊接作業(yè)。

4)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管混凝土回填。第一階段澆筑長度為6 m，將鋼管下游端部用單排內(nèi)支撐進行了加固，經(jīng)過生產(chǎn)性試驗和實際觀測，鋼管在澆筑期間的變形小于3 mm，完全符合預(yù)期要求。后續(xù)澆筑長度為9 m，無內(nèi)支撐，通過澆筑工藝過程控制，工程質(zhì)量符合規(guī)范要求。

以此類推，烏東德左岸的每條壓力鋼管均按照上述工序安裝完成后，分段進行了鋼管外壁的混凝土澆筑，與原設(shè)計工藝不同的是，烏東德超大型鋼管取消了固定內(nèi)支撐或活動內(nèi)支撐。這項建立在嚴格的仿真計算和施工工藝過程控制基礎(chǔ)上的優(yōu)化措施，取得了非常可觀的經(jīng)濟效益。

2.3 鋼管無內(nèi)支撐施工的技術(shù)特點

從上述烏東德電站直徑φ13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐技術(shù)實施過程，可總結(jié)出以下幾個方面的技術(shù)特點：

1)鋼管及加勁環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度較大，滿足水平自由狀態(tài)下彈性變形小的要求；

2)先進且專業(yè)化的施工裝備替代了傳統(tǒng)的鋼平臺鋼管組圓焊接技術(shù)，用機械自動化可調(diào)式的內(nèi)支撐滿足了鋼管制造階段的剛度需要；

3)鋼管運輸設(shè)備的支撐點布置，有效控制了鋼管在無支撐狀態(tài)下的變形量；

4)從鋼管安裝開始，通過鋼管外壁拉桿和回調(diào)混凝土結(jié)構(gòu)，逐步提高了鋼管的整體剛度，僅在首節(jié)鋼管的管口設(shè)置了單排輔助內(nèi)支撐，能夠滿足鋼管在安裝、回填外圍混凝土的剛性要求。

烏東德超大型鋼管無內(nèi)支撐與傳統(tǒng)的有內(nèi)支撐施工技術(shù)的比較見表3。

表3 烏東德超大型鋼管無內(nèi)支撐與傳統(tǒng)的有內(nèi)支撐施工技術(shù)比較表

3 結(jié) 語

1)烏東德水電站直徑φ13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐技術(shù)滿足了工程施工要求，創(chuàng)造了工程技術(shù)價值和經(jīng)濟價值。

2)通過對烏東德鋼管施工過程整體剛度的分析研究和建立仿真計算模型，取得了充足的理論依據(jù)，提出了在超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐條件下，提高鋼管剛度的有效途徑，并形成了施工的指導(dǎo)性原則。

3)烏東德電站直徑φ13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐技術(shù)具有代表性和推廣價值，建議水利水電行業(yè)統(tǒng)一對鋼管內(nèi)支撐的認識，根據(jù)各工程具體情況，取消或簡化洞內(nèi)鋼管內(nèi)支撐及相關(guān)的技術(shù)要求，并研究壩后背管中鋼管內(nèi)支撐優(yōu)化或取消的可行性。