王文忠

（葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091）

1 工程概況

木星土水電站是云南省迪慶州香格里拉縣東部尼汝河流域梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)的第四級(jí)電站，電站裝機(jī)2臺(tái)單機(jī)容量60MW水輪發(fā)電機(jī)組。電站發(fā)電引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、引水隧洞、阻抗式調(diào)壓井及壓力管道等組成，阻抗式調(diào)壓井后接壓力管道。壓力管道采用一洞一管二機(jī)階梯形軸線鋼板全襯砌全洞內(nèi)埋管布置形式，圓形過(guò)流斷面，為電站永久性主要建筑物。見(jiàn)圖1所示。

壓力鋼管設(shè)計(jì)靜水頭421.1m，最大水頭520.0m；主管直徑Ф3.0m，軸線長(zhǎng)度1112.68m；岔管采用Y形月牙肋結(jié)構(gòu)型式，分岔角為70°；支管直徑Ф1.2m，軸線長(zhǎng)度131.85m；設(shè)計(jì)安裝總工程量2830.5t。設(shè)計(jì)靜水DH值1263.3m2，最大DH值達(dá)1560.0m2，屬于水利水電工程大型壓力鋼管。

圖1 木星土水電站壓力鋼管縱向剖面總布置圖

2 安裝技術(shù)特性

壓力鋼管按軸線布置位置和形式分為：上平洞段、1號(hào)彎管段、上豎井段、2號(hào)彎管段、中平段、3號(hào)彎管段、下豎井段、4號(hào)彎管段、下斜井段、水平段、岔管段和支管水平段等部分組成。

設(shè)計(jì)壓力鋼管安裝管節(jié)單元640節(jié)，鋼管分節(jié)長(zhǎng)度2.0m，最小管節(jié)長(zhǎng)度0.915m，最大管節(jié)單元重量6.19t，最大管節(jié)單元外形尺寸Ф3.28m×2.0m，最大鋼管單元部件為岔管，重量31.15t。

工程計(jì)劃安裝工期分為二個(gè)階段。

3 問(wèn)題提出（課題選擇）

由于工程地理環(huán)境和地質(zhì)原因，電站發(fā)電引水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了國(guó)內(nèi)較少選用的階梯形隧洞軸線全襯砌壓力鋼管布置方式。特別是其垂直高度達(dá)114.0m和200.0m高的洞內(nèi)上、下高豎井鋼管安裝施工，高度分別相當(dāng)于38層和67層樓高，安裝工程量達(dá)186節(jié)，占整個(gè)壓力鋼管安裝工程量的近三分之一。其安裝施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)非常大，國(guó)內(nèi)亦不多見(jiàn)。

因此，充分利用現(xiàn)有施工設(shè)施和較低的設(shè)備資源投入，安全、高效、經(jīng)濟(jì)的安裝技術(shù)方案選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，也是保障工程安全施工和安裝工期的重點(diǎn)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有必要對(duì)此加以認(rèn)真研究和積極探索，以實(shí)現(xiàn)安裝技術(shù)方案科學(xué)性、安全性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 安裝技術(shù)方案選定與設(shè)計(jì)

4.1 基本原則和思路

4.1.1 基本原則

在確保壓力鋼管安裝工程質(zhì)量、生產(chǎn)安全和滿足工程進(jìn)度要求的前提下，充分利用工程現(xiàn)有施工特點(diǎn)和設(shè)備資源，盡量采用通用機(jī)械設(shè)備和機(jī)具，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化施工方法，使安裝技術(shù)方案達(dá)到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的要求和目的。

4.1.2 基本思路

根據(jù)總體施工進(jìn)度計(jì)劃安排，考慮安裝施工組織及技術(shù)方案設(shè)計(jì)的靈活性和適應(yīng)性，將壓力鋼管安裝施工劃分為第I和第II二個(gè)安裝施工階段。同時(shí)，在各階段安裝起始點(diǎn)（始裝定位節(jié)）設(shè)置、安裝順序設(shè)計(jì)選擇和湊合節(jié)位置選定時(shí)，充分考慮和兼顧土建施工實(shí)際進(jìn)度及提供安裝部位可能性等因素，以滿足靈活采用二階段安裝施工方式對(duì)施工部位的要求。

優(yōu)點(diǎn)是：方案靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，可采取多種施工組合方式進(jìn)行安裝施工。

4.2 總體安裝技術(shù)方案規(guī)劃和布置

見(jiàn)圖2所示。

圖2 壓力鋼管安裝始裝定位節(jié)、安裝順序及湊合節(jié)布置軸向剖面示意圖

4.2.1 安裝起始點(diǎn)選定

根據(jù)壓力鋼管管線布置特性和施工進(jìn)度安排，為保證在第I和第II階段安裝施工時(shí)，均可同時(shí)展開(kāi)三個(gè)以上安裝工作面，各階段鋼管安裝起始定位節(jié)均設(shè)置為二個(gè)。同時(shí)，為便于始裝節(jié)的安裝定位和與彎管及其它管節(jié)進(jìn)行銜接，確保彎管和其它管節(jié)安裝精度，應(yīng)盡量選擇水平管節(jié)作為始裝節(jié)較為適宜。

第I階段始裝節(jié)，分別選定在壓力鋼管上平段的鋼管起始點(diǎn)（圖2中所示1號(hào)始裝節(jié)）和2號(hào)彎管段與中平洞連接處的第一節(jié)水平管節(jié)（圖2中所示2號(hào)始裝節(jié)）。

第II階段始裝節(jié)，分別選定在4號(hào)彎管段與下斜洞連接處的第一節(jié)斜管節(jié)（圖2中所示3號(hào)始裝節(jié)）和壓力鋼管末端（兩支管與機(jī)組球閥聯(lián)接管節(jié)，圖2中所示4號(hào)始裝節(jié)）。其中，4號(hào)始裝節(jié)為二條支管各一個(gè)。

4.2.2 總體安裝程序和順序

（1）第I階段

工作面①，從1號(hào)始裝節(jié)開(kāi)始，自上游向下游上平洞施工支洞方向，依次按順序進(jìn)行管節(jié)安裝；

工作面②，從2號(hào)始裝節(jié)開(kāi)始，自下游向上游沿2號(hào)彎管段向上→上豎井段→1號(hào)彎管段→上平洞施工支洞方向，依次進(jìn)行；

工作面③，從2號(hào)始裝節(jié)開(kāi)始，自上游向下游中平洞施工支洞方向，依次進(jìn)行。

（2）第II階段

工作面①，從3號(hào)始裝節(jié)開(kāi)始，自下游向上游沿4號(hào)彎管段向上→下豎井段→3號(hào)彎管段→中平洞施工支洞方向，依次按順序進(jìn)行管節(jié)安裝；

工作面②，從3號(hào)始裝節(jié)開(kāi)始，自上游向下游沿下斜井，向下平洞施工支洞方向，依次進(jìn)行；

工作面③，從兩個(gè)4號(hào)始裝節(jié)開(kāi)始，自下游向上游，沿兩水平支管向→兩水平彎管段→兩水平錐管段→岔管段→下平洞施工支洞方向，依次進(jìn)行。

（3）第I階段與第II階段同時(shí)安裝

其安裝程序和順序與上述方法基本相同。

4.2.3 湊合節(jié)和調(diào)整節(jié)設(shè)置及位置選定

由于壓力鋼管軸線長(zhǎng)度較長(zhǎng)、管節(jié)數(shù)量多、管節(jié)節(jié)間拼裝修割和環(huán)縫焊接收縮量相對(duì)較大，以及采用分段多作業(yè)面同時(shí)施工等因素，為便于各分段鋼管相向安裝時(shí)順利對(duì)接，故在各管段安裝對(duì)接處需設(shè)置相應(yīng)的湊合管節(jié)。湊合節(jié)位置的選定，應(yīng)盡量靠近施工支洞，以便于湊合節(jié)的運(yùn)輸、吊裝和組拼。各管段相向安裝對(duì)接處湊合節(jié)具體位置見(jiàn)圖2所示。

同時(shí)，為防止上、下豎井段管節(jié)安裝過(guò)程中，因管節(jié)拼裝修割和環(huán)縫焊接收縮，造成豎井段管節(jié)高度出現(xiàn)偏差，故尚應(yīng)在上、下豎井段直管頂部與彎管段連接處，設(shè)置相應(yīng)的高度調(diào)整節(jié)?；?qū)⒇Q井直管頂部最后一節(jié)，直接選定為高度調(diào)整節(jié)，以滿足豎井直管與上彎管安裝整體幾何尺寸精度控制要求。調(diào)整節(jié)宜采用整節(jié)加長(zhǎng)鋼管或?qū)ｉT(mén)進(jìn)行配制。

4.3 各管段安裝技術(shù)方案選定

4.3.1 鋼管運(yùn)輸及卸車(chē)

（1）工地運(yùn)輸

木星土電站現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)施工道路沿約45°山體坡面呈之字形布置，基本可滿足采用中型載重汽車(chē)運(yùn)輸方式運(yùn)送壓力鋼管對(duì)道路運(yùn)輸通行能力最低要求。根據(jù)鋼管壁厚、管節(jié)重量、最大外形尺寸和運(yùn)輸?shù)缆返膹?fù)雜難易程度，鋼管工地運(yùn)輸可分別采用單節(jié)(管口向上）或二節(jié)一組(軸線橫放）裝車(chē)運(yùn)輸方式。岔管單件重量31.15t，采取在工地廠內(nèi)整體制造，臨時(shí)租用大噸位汽車(chē)起重機(jī)和平板拖車(chē)進(jìn)行工地運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)整體安裝方式。

（2）洞內(nèi)水平運(yùn)輸及卸車(chē)

4號(hào)彎管及以上引水隧洞洞內(nèi)開(kāi)挖斷面均為Ф4.4m園形截面，4號(hào)彎管以下下斜井段為4.4m×4.8 m（寬×高）城門(mén)洞形截面，可滿足采用中型載重汽車(chē)運(yùn)輸方式對(duì)空間尺寸的最低限度要求。

洞內(nèi)水平運(yùn)輸采取二種方式，一種是將管節(jié)用汽車(chē)運(yùn)輸至臨時(shí)施工支洞與引水洞交叉處，采用傳統(tǒng)"天錨+卷?yè)P(yáng)機(jī)"方案，將鋼管吊起卸車(chē)后，放置于專用鋼管管節(jié)運(yùn)輸臺(tái)車(chē)上，再采用"專用運(yùn)輸臺(tái)車(chē)＋軌道＋卷?yè)P(yáng)機(jī)"方式，將管節(jié)運(yùn)輸至安裝部位后，用千斤頂?shù)妊b置進(jìn)行卸車(chē)就位。此方法主要用于二節(jié)一組管節(jié)的洞內(nèi)水平運(yùn)輸。

另一種運(yùn)輸方式是，對(duì)于安裝部位空間相對(duì)較大和單管節(jié)重量較輕的管節(jié)，則可采用汽車(chē)運(yùn)輸方式直接將管節(jié)運(yùn)輸至鋼管安裝部位處，采用臨時(shí)天錨或簡(jiǎn)易可拆卸式門(mén)形架等手段進(jìn)行卸車(chē)就位。

岔管的洞內(nèi)卸車(chē)由于受洞室空間限制，可采用洞內(nèi)“天錨+卷?yè)P(yáng)機(jī)”方案組成的起重吊裝裝置進(jìn)行。

4.3.2 上平洞、中平洞、下斜井及支管等水平管段安裝

上平洞、中平洞、下斜井和水平段及支管水平段管節(jié)安裝應(yīng)在其相應(yīng)始裝節(jié)安裝完成，并已回填澆筑混凝土，且經(jīng)驗(yàn)收確認(rèn)合格后進(jìn)行。

安裝方法見(jiàn)圖3所示。

圖3 典型水平（斜坡）段鋼管安裝示意圖

4.3.32 號(hào)和4號(hào)下彎管段安裝

2號(hào)和4號(hào)下彎管段安裝是上、下豎井段管節(jié)安裝的基礎(chǔ)，也是保證兩豎井鋼管安裝精度和施工進(jìn)度的關(guān)鍵。其管節(jié)安裝應(yīng)在其相應(yīng)始裝節(jié)安裝完成，并已回填澆筑混凝土，且經(jīng)驗(yàn)收確認(rèn)合格后方可進(jìn)行。

下彎管段管節(jié)安裝可采用二種方式，一種是按下彎管各管節(jié)安裝順序，預(yù)先將下彎管下半部分的各管節(jié)采用管節(jié)運(yùn)輸臺(tái)車(chē)和臨時(shí)天錨配合方式，先將管節(jié)拉入安裝部位，臨時(shí)固定牢固，然后先安裝2號(hào)或3號(hào)始裝節(jié)及下游側(cè)2-3節(jié)下平管段，待混凝土回填凝固后，再按由下向上順序，依次就位安裝已事先拉入的下彎管各待裝管節(jié)。預(yù)先拉入下彎段的管節(jié)數(shù)只要條件充許，原則上應(yīng)盡量多拉，最好能一次拉入下彎管管節(jié)數(shù)量的一半較好。下彎管段剩余上半部分的管節(jié)，采用豎井洞頂?shù)牡跹b系統(tǒng)依次吊裝就位。

第二種方式是在下彎管段正式安裝前，預(yù)先在下彎段底部沿彎管弧度敷設(shè)安裝好臨時(shí)軌道，然后先安裝2號(hào)或3號(hào)始裝節(jié)及下游側(cè)2-3節(jié)下平管段，待混凝土回填凝固后，再采用豎井洞頂?shù)跹b系統(tǒng)將下彎管剩余各管節(jié)依次吊裝至下彎管處后，利用鋼管自重和弧形滑動(dòng)胎架與軌道摩擦，沿下彎段底部已敷設(shè)軌道依次滑移至管節(jié)安裝部位，然后按管節(jié)安裝順序依次進(jìn)行安裝焊接。

下彎管段各管節(jié)沿底部弧形軌道下滑移動(dòng)時(shí)，可在彎管洞壁上游側(cè)適當(dāng)位置設(shè)置一臨時(shí)輔助錨點(diǎn)，輔助牽引管節(jié)下滑移動(dòng)，以確保各彎管節(jié)下滑時(shí)的安全和減少自重下滑分力。見(jiàn)圖4所示。

圖4 2號(hào)（4號(hào)）下彎管段鋼管安裝示意圖

4.3.4 上豎井和下豎井段安裝

上、下豎井段管節(jié)安裝是整個(gè)壓力鋼管安裝的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是制約整個(gè)安裝施工進(jìn)度的關(guān)鍵部位，具有超高空作業(yè)、安全風(fēng)險(xiǎn)大、安裝施工空間狹小、安裝工作量大等施工特點(diǎn)。

上、下豎井段管節(jié)安裝應(yīng)在2號(hào)和4號(hào)下彎管段鋼管全部安裝完成，且其外包混凝土已回填澆筑、固結(jié)24h后進(jìn)行。

（1）豎井管節(jié)吊裝

圖5 114m（200m）豎井段鋼管安裝示意圖

由于上、下兩豎井分別高達(dá)114.0m和200.0m，如選用在豎井頂部布置橋機(jī)或礦井提升機(jī)起重吊裝方案，需增添相應(yīng)專用設(shè)備，一次性投入較大，設(shè)備制造安裝周期長(zhǎng)，且需增加土建豎井洞頂擴(kuò)挖和混凝土巖錨梁，工作量較大，施工成本較高。

綜合對(duì)比各種起重吊裝方案安全可靠性、工作效率、操作簡(jiǎn)易性和設(shè)備采購(gòu)使用成本等因素，本工程推薦在豎井段管節(jié)起重安裝中，選用“天錨＋卷?yè)P(yáng)機(jī)”吊裝方案。

其優(yōu)點(diǎn)是：可充分利用現(xiàn)有土建施工條件、技術(shù)簡(jiǎn)單易行、安全可靠性較高，設(shè)備采購(gòu)使用成本經(jīng)濟(jì)，施工方式簡(jiǎn)單靈活、吊裝工效較高，起吊高度可不受起吊高度限制。見(jiàn)圖5所示。

為防止鋼管在豎井內(nèi)吊裝過(guò)程中，因鋼絲繩自旋力而發(fā)生鋼管旋轉(zhuǎn)造成起重鋼絲繩發(fā)生纏繞“死鉤”現(xiàn)象，豎井內(nèi)鋼管吊裝時(shí)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的“防止管節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置”技術(shù)措施。

（2）豎井管節(jié)安裝

豎井段管節(jié)安裝可按單節(jié)或二節(jié)一組一個(gè)吊裝單元方式進(jìn)行吊裝，安裝順序按自下向上依次逐節(jié)進(jìn)行拼裝及焊接。

為便于豎井鋼管安裝作業(yè)和提高工效，保障安裝操作人員人身安全，方便操作人員在豎井安裝時(shí)上下出入，豎井安裝施工采用“豎井專用工作臺(tái)車(chē)＋吊籠裝置”工作方式進(jìn)行管節(jié)的安裝和焊接。

4.3.51 號(hào)和3號(hào)上彎管段安裝

1號(hào)和3號(hào)上彎管段管節(jié)安裝應(yīng)在豎井鋼管全部安裝完成，且其外包混凝土已澆筑施工完成后進(jìn)行。

根據(jù)上彎管段施工特點(diǎn)，為便于上彎管段各管節(jié)吊裝就位，可將上彎管各管節(jié)分為1/3下段和2/3上段二部分，分別依次逐節(jié)進(jìn)行安裝。

1/3下段各管節(jié)起重吊裝，采用“管節(jié)運(yùn)輸臺(tái)車(chē)+洞頂天錨+卷?yè)P(yáng)機(jī)+手拉葫蘆”方式，按各管節(jié)安裝順序依次逐節(jié)或兩節(jié)一組進(jìn)行吊裝就位。

2/3上段各管節(jié)起重吊裝，可按各管節(jié)安裝順序依次逐節(jié)或兩節(jié)一組，采用“管節(jié)運(yùn)輸臺(tái)車(chē)+卷?yè)P(yáng)機(jī)（雙牽引）+弧形軌道+手拉葫蘆”方式，利用鋼管自重和滑動(dòng)支架與事先設(shè)置在上彎段底部的弧形軌道滑動(dòng)摩擦，均勻?qū)⒏靼惭b管節(jié)下滑落放至安裝部位。

上彎管起始段管節(jié)部分，可采用雙卷?yè)P(yáng)機(jī)或在對(duì)面方向設(shè)置臨時(shí)導(dǎo)向輪方法，以輔助牽引管節(jié)移動(dòng)和下滑。見(jiàn)圖6所示。

圖6 1號(hào)（3號(hào)）上彎管段鋼管安裝示意圖

4.3.6 岔管安裝

為避免洞內(nèi)岔管安裝后，造成其前后主管和支管運(yùn)輸安裝困難，岔管安裝應(yīng)在其前后主管和支管全部安裝完成后進(jìn)行。此外，為保證岔管各分岔管口與已安裝主管和支管的準(zhǔn)確銜接和圓滑過(guò)渡，應(yīng)在岔管各管口與已安裝主管和支管對(duì)接處，設(shè)置相應(yīng)的湊合節(jié)。

（1）岔管吊裝天錨設(shè)置

岔管采用洞內(nèi)整體安裝方式。先在洞內(nèi)岔管設(shè)計(jì)安裝部位頂部按岔管最大外形尺寸要求，擴(kuò)挖預(yù)留岔管吊裝天錨安裝及起重吊裝空間，再在頂部巖體上與岔管各管口端部對(duì)應(yīng)位置，分別各設(shè)置一組天錨，供岔管進(jìn)行整體吊裝卸車(chē)和安裝調(diào)整就位之用。

（2）岔管安裝

先將整體岔管采用低矮型大型平板拖車(chē)運(yùn)輸至岔管設(shè)計(jì)安裝部位，然后用頂部3組天錨與卷?yè)P(yáng)機(jī)配合均衡將岔管起吊離拖車(chē)一定距離，待運(yùn)輸岔管車(chē)輛駛離安裝部位后，通過(guò)3組天錨與手拉葫蘆和千斤頂?shù)葯C(jī)具相互配合，進(jìn)行岔管的最終安裝調(diào)整和就位。

4.3.7 湊合節(jié)安裝

湊合節(jié)可采用整節(jié)或分瓣瓦片安裝形式。為便于湊合節(jié)安裝時(shí)內(nèi)壁焊縫拼裝和焊接，可采取在湊合節(jié)附近主管上增設(shè)一臨時(shí)進(jìn)人孔裝置施工方式。

5 豎井安裝高程和中心測(cè)量與控制

上、下豎井管節(jié)安裝高程及水平度的測(cè)量與控制，采取長(zhǎng)鋼卷尺預(yù)先在豎井內(nèi)壁上分段布設(shè)若干固定的高程控制點(diǎn)，然后在安裝過(guò)程中，每安裝2～3節(jié)用水準(zhǔn)儀對(duì)鋼管管口的高程及水平度進(jìn)行一次測(cè)量和調(diào)整?；虿捎酶呔燃す鉁y(cè)距儀(如：博世BOSCH GLM250VF型)，由豎井底部安裝高程基準(zhǔn)點(diǎn)，直接對(duì)各安裝管節(jié)進(jìn)行測(cè)量和控制。

豎井鋼管安裝中心位置，采用高精度激光投點(diǎn)儀（如：XOS4-JZY-41型）進(jìn)行控制。將激光投點(diǎn)儀安置在豎井頂部（或底部），自上向下投點(diǎn)，并以此為基準(zhǔn)中心線控制鋼管安裝中心。投點(diǎn)儀應(yīng)定期用全站儀進(jìn)行復(fù)測(cè)，并用底部已安裝好的鋼管中心進(jìn)行校核，以有效控制鋼管中心安裝精度。

6 工程應(yīng)用（結(jié)束語(yǔ)）

木星土電站420m高水頭階梯形隧洞全襯砌大型壓力鋼管安裝施工技術(shù)，經(jīng)安裝單位在第I、II階段工程應(yīng)用實(shí)踐證明，方案設(shè)計(jì)科學(xué)合理，安全可靠性和工作效率高，方法簡(jiǎn)單易行，工程投資省，設(shè)備工裝購(gòu)置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，得到了工程建設(shè)單位、監(jiān)理單位和設(shè)計(jì)代表的高度評(píng)價(jià)和贊譽(yù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。也為今后國(guó)內(nèi)其它同類水電站階梯形隧洞和超深豎井壓力鋼管安裝施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。