天錨吊裝系統在大型地下岔管安裝中的應用

艾宗南，李睿巍

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，611800)

1 工程概況

南俄3水電站位于老撾中部Xaysomboune(賽松本)特區境內，距離首都萬象公路里程約265km。該水電站是一座以發電為主，兼顧養殖、旅游等綜合利用效益的水利樞紐工程，電站設計裝機3臺160MW水輪發電機組，總裝機容量480MW。機組采用一管三機聯合供水方式，由一條壓力引水隧洞、調壓井、地下主管段、兩個月牙肋岔管及三條支管組成。主管內徑5.8m，全長607m，支管內徑3.3m～2.4m；大岔管最大公切半徑3.4m，岔管本體最大外形：8.9m×10.6m×7.4m(長×寬×高)，總重97.9t；小岔管最大公切球半徑2.6m，岔管本體最大外形：6.2m×7.6m×5.8m(長×寬×高)，總重45.8t。

在引水隧洞主管段上游左岸設有一施工支洞，長度592m。其中，施工支洞為城門形斷面：寬7.6m、高6m；引水隧洞為馬蹄形斷面，直徑7.2m。

2 天錨吊裝方法

2.1 運輸通道

受開挖斷面幾何尺寸限制，兩個岔管均在洞外采用分塊制作工藝，分為9個管節制作，編號①-⑨，岔管分塊重量見圖1左圖。其中，外形最長為④號管節(月牙肋)：7.4m×3.8m×0.13m(長×寬×高)；外形最寬為①號管節：7.2m×6.6m×2.8m(長×寬×高)；外形最高、重量最大為⑨號管節(錐體+月牙肋板)：5.8m×5.1m×3.9m(長×寬×高)、重22.2t。

圖1 岔管分塊重量及天錨系統布置

2.2 天錨吊裝方法

2.2.1 主要吊裝方法

在大岔管的安裝位置下方布置一鋼結構平臺，平臺上平鋪有鋼板，用于岔管卸車和組裝。兩個岔管管節采用平板汽車運輸，途經施工支洞、引水隧洞運抵平臺之上。洞頂布置7組天錨，與卷揚機和滑輪組結合，完成岔管管節的卸車、翻身等吊裝工序。天錨沿水流方向依次編號1號-7號天錨，平臺上游地面布置有地錨，地錨至上游10m范圍內左右兩側擴挖成城門形，用于布置卷揚機，其他位置布置有側錨和地錨。天錨系統布置見圖1右圖。小岔管在平臺上組裝完成后拖運到安裝位置。大岔管先組裝右錐體，后組裝左錐體和月牙肋，左、右錐體合攏后與上游錐體組裝。

2.2.2 小岔管吊裝

1號-5號天錨用于小岔管管節的卸車和組裝。其中，3號天錨用于⑨號管節的卸車，卸車完成后，水平旋轉90°，采用3號和4號天錨雙點抬吊方式翻身，以4號天錨作為單吊點，將⑨號管節水平旋轉180°后放置于預制的鋼托架上。卸車和翻身形式見圖2左圖。

圖2 小岔管卸車、翻身組裝示意

采用類似方法，使用3號天錨完成⑧號管節的卸車，采用3號和5號天錨雙點抬吊方式完成翻身后，以3號天錨作為單吊點，吊裝⑧號管節。移動⑨號管節鋼托架到適當位置與⑧號管節合攏。⑦號管節用1號和2號天錨雙點抬吊方式完成卸車和翻身，以2號天錨作為單吊點吊裝⑦號管節。再次移動鋼托架，完成⑦號管節組裝，見圖2右圖。小岔管組裝完成后，放置于預設的運輸軌道上，采用卷揚機與滑輪組結合的方法拖運到安裝位置。

2.2.3 大岔管吊裝

1號-3號、5號-7號天錨用于大岔管管節的卸車和組裝。其中，3號天錨用于②號-⑥號管節的卸車。④號管節卸車完成后，平放于托架上，移動托架到下游指定位置，以滿足⑥號管節的卸車和翻身空間。⑥號管節采用3號和5號天錨雙點抬吊方式卸車和翻身，翻身后以3號天錨作為單吊點吊裝⑥號管節，移動④號管節放置于⑥號管節下方，組裝后整體移動到下游，以滿足⑤號管節的卸車和翻身空間。⑤號管節同樣采用3號和5號天錨雙點抬吊方式卸車和翻身，翻身后以3號天錨作為單吊點吊裝⑤號管節，移動⑥號置于⑤號管節下方，組裝⑤號和⑥號成為整體⑤+⑥。移動托架位置，使用3號、5號和7號天錨三點抬吊方式完成⑤+⑥翻身，移動④號管節至上游，吊起④號管節卸放于組裝平臺之上。移動托架至⑤+⑥下方，將⑤+⑥放置于托架之上，移動到右側指定位置，見圖3左圖。

圖3 大岔管組裝布置

再次吊起④號管節置于另一托架上，移動托架到下游，以滿足③號管節的卸車和翻身空間。采用與⑤+⑥相同的組裝方法，③號管節卸車和翻身完成后，移動④號管節與③號管節組裝成整體③+④，再次移動③+④到下游，以滿足②號管節的卸車和翻身空間。②號管節卸車和翻身完成后，移動③+④與②號管節組裝成整體②+③+④。移動托架位置，使用5號、6號和7號天錨三點抬吊方式完成②+③+④的起吊和翻身，移除托架和鋼板，各項安裝尺寸參數調整合格后加固焊牢。移動⑤+⑥與②+③+④合攏。①號管節使用1號和2號天錨雙點抬吊方式完成卸車和翻身，以2號天錨作為單吊點吊裝①號管節，完成大岔管組裝，見圖3右圖。

3 天錨吊裝系統的設計與施工

3.1 錨桿的選型與布置

(1)1號、2號、4號、6號天錨：起吊最大重量約Q0=22.2t、吊具重量約Q1=0.6t、鋼絲繩下拉力F0=5t。天錨最大荷載=Q0+Q1+F0=22.2t+0.6t+5t=27.8t。天錨最小設計荷載=27.8t×1.25=34.75t(動荷系數取1.25)，取設計荷載35t，即343kN。每組天錨由4根φ32HRB螺紋鋼筋組成，呈2×2正方形布置，孔中心距400mm，錨桿長度L=9m，入巖8.5m，外露0.5m，單根錨桿設計荷載85.75kN。為便于鉆孔施工，錨桿與洞壁面夾角約5°，見圖4左圖。

圖4 天錨布置

(2)3號、5號、7號天錨：起吊最大重量約Q2=51.5/2=25.75t、吊具重量約Q3=0.6t、鋼絲繩下拉力F1=8t。天錨最大荷載=Q2+Q3+F1=25.75t+0.6t+8t=34.35t。天錨最小設計荷載=34.35t×1.25=42.94t，(動荷系數取1.25)取設計荷載43t，即421.4kN。每組天錨由6根φ32HRB螺紋鋼筋組成，呈2×3矩形布置，水流方向孔中心距400mm，垂直水流方向孔中心距600mm，錨桿長度L=9m，入巖8.5m，外露0.5m，單根錨桿設計荷載70.24kN。為便于鉆孔施工，錨桿與洞壁面夾角約5°，見圖4右圖。

3.2 強度計算

本文只對荷載較大的天錨錨桿強度進行驗算，其余導向錨桿不再驗算。錨桿截面和錨桿長度驗算[1]。

①錨桿桿體的截面面積計算公式：

(1)

式中：Kt——錨桿桿體的抗拉安全系數，取1.8；

Nt——錨桿軸向拉力設計值，取最大值85.75kN；

yb

——鋼筋抗拉強度標準值，取360N/mm

2

。

帶入公式(1)得錨桿計算截面面積：

φ32錨桿截面面積804mm2>428.75mm2，滿足要求。

②錨桿的錨固段長度計算公式并取其中的較大值：

(2)

式中：Kt——錨桿桿體的抗拉安全系數，取1.8；

Nt——錨桿的軸向拉力設計值，取最大值85.75kN；

La——錨桿錨固段長度，m；

mg

——錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值，取0.3MPa(軟巖0.3～0.8)；

ms

——錨固段注漿體與筋體間的粘結強度標準值，取2.0MPa；

D——錨桿錨固段的鉆孔直徑，取64mm；

d——鋼筋直徑，取32mm；

ξ——采用2根或2根以上鋼筋時，截面的粘結強度降低系數，取0.6；

φ——錨固長度對粘結強度的影響系數，取1.0；

n——鋼筋根數，取較小值4。

帶入公式(2)得La1=2.559m，La2=0.319m，均小于錨桿實際錨固長度La=8.5m，滿足要求。

③吊耳驗算[2]。吊耳采用δ=26mmQ345鋼板，316mm×300mm(長×寬)，吊耳孔d=100mm，孔下部鋼板高度100mm，吊耳孔兩側均含有12mmQ345補強板，見圖4。

吊耳孔壁承壓驗算公式：

(3)

吊耳孔拉應力驗算公式：

(4)

式中：P——一個吊耳孔所承受的荷載，取421.4kN；

δ——吊耳板的厚度，取50mm；

r、R——r取吊耳孔半徑50mm，R取150mm；

[σcj]、[σk]——容許局部緊接承壓應力[σcj]取115MPa、孔壁抗拉應力[σk]取165MPa。

帶入公式(3)、(4)得σcj=84.28MPa≤[σcj]、σk=105.35MPa≤[σk]，滿足要求。

④錨桿與鋼板角焊縫強度驗算[3]。角焊縫焊腳高度16mm，受長度方向的剪應力：

(5)

式中：τ——按角焊縫的有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應力；

N——通過焊縫形心的剪力設計值，取343kN/8=42.875kN；

he——角焊縫的有效厚度，取0.7倍焊腳高度，即11.2mm；

lw——角焊縫的計算長度，對每條焊縫取其實際長度減去10mm，即290mm；

3.3 天錨系統施工方法

(1)天錨系統施工工藝流程[4]見圖5。

圖5 天錨施工工藝流程

(2)天錨系統施工

①鉆孔。岔管異形件吊點和天錨吊點中心通過三維設計軟件計算得出坐標。每根錨桿在洞壁處的位置使用全站儀進行坐標放樣并使用噴漆作出標記。錨桿孔采用雙臂鉆造孔，孔徑64mm，孔深8.5m，孔深誤差值不大于50mm，鉆孔軸線的偏斜率不大于錨桿長度的2%[5]。

②錨桿制作與安裝。錨桿采用平直、長度9m的螺紋鋼，沿桿體軸線方向每隔1.5m焊接一對長50mm、φ10mm的普通圓鋼用作對中支架，焊接完成后清理錨桿表面，涂刷防銹漆。排氣管端部距孔內頂部約10cm，注漿管插入孔口深度約5cm并在孔口設置密封裝置。注漿管、排氣管應與錨桿桿體綁扎牢固且在運輸過程中防止扭壓和彎曲。錨桿安裝前應檢查孔道深度和孔徑，將孔道清理干凈后方可開始插桿。插桿時不得損壞防腐層，當插桿過程中遇阻力較大時，應查明原因并解決后方可繼續插桿。插桿深度不小于設計入巖深度的95%，插桿完成后應綁扎牢固。

③注漿。注漿漿液采用純水泥漿并添加適量減水劑、膨脹劑，強度等級不低于M30。注漿前應檢查排氣管和注漿管是否暢通完好。漿液應隨攪隨用，并在初凝前用完。注漿開始后，當排氣管返漿時，先將排氣管管口扎緊，再停止注漿。注漿完成后，不得隨意敲擊錨桿和懸掛重物。

④錨桿檢測。錨桿強度達到70%后，采用砂漿飽和檢測儀或聲波物探儀無損檢測法對每根錨桿的砂漿密實度和長度進行檢測[6]。檢測結果應滿足設計要求。

⑤吊點和起重設備安裝。錨桿檢測合格后，開始焊接頂部連接鋼板和吊耳等，焊接完成后檢查焊縫外觀及尺寸，均應滿足設計要求。天錨、導向側錨及地錨焊縫均焊接完成后，布置卷揚機、鋼絲繩、滑輪等起重設備和工具。

⑥荷載試驗。錨桿注漿完成28d后，對7組天錨進行100%靜載荷、100%動載荷和125%靜載荷試驗，檢查錨桿和吊具有無松動變形，焊縫有無裂紋等，確保天錨吊裝系統安全可靠。荷載試驗合格后，天錨吊裝系統方可投入使用。

4 結語

(1)天錨吊裝系統，安全、高效地解決了本工程大型地下岔管在狹小空間的吊裝難題，減少了隧洞擴挖和回填方量、降低了工程施工成本和風險；

(2)利用三維設計軟件計算各不規則吊裝單元的重心坐標，結合全站儀放樣，準確布置各天錨吊點的中心坐標，可提高吊裝定位的精準性和吊裝效率；

(3)錨桿的施工過程質量控制是保證天錨吊裝施工安全的關鍵。