超大直徑壓力鋼管隧洞內(nèi)安裝施工技術(shù)研究與應(yīng)用

姜德華

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司 北京 100025

1 研究背景

1.1 依托項(xiàng)目情況

巖灘水電站擴(kuò)建工程布置5#、6#共2條引水隧洞，隧洞分為漸變段—斜井段—下平段，其中壓力鋼管襯砌段位于下平段。壓力鋼管φ12.8 m，壁厚30、36 mm，鋼管材質(zhì)為Q345C，鋼管總質(zhì)量為713 t，中心線總長(zhǎng)43.4 m，分為彎管段、直管段及錐管段，彎管段及直管段內(nèi)徑為11.1 m，錐管段鋼管內(nèi)徑由11.1 m漸變?yōu)?0.6 m。

1.2 研究的必要性

巖灘擴(kuò)建工程引水隧洞壓力鋼管管節(jié)直徑達(dá)12.8 m，現(xiàn)場(chǎng)道路最寬位置僅為6 m，施工道路崎嶇、上下起伏，同時(shí)由于擴(kuò)建項(xiàng)目施工受廠界、工期的限制，需要解決壓力鋼管避開斜井運(yùn)輸至下平段安裝的問(wèn)題。

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)壓力鋼管分瓣運(yùn)輸安裝技術(shù)、斜拉倒裝技術(shù)、整體湊合不修邊技術(shù)的研究，解決超大直徑壓力鋼管洞內(nèi)外運(yùn)輸及洞內(nèi)安裝困難的問(wèn)題，優(yōu)化施工布置，減少二次轉(zhuǎn)運(yùn)及吊裝，控制成本要素的消耗，確保公司經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1-2]。

2 研究項(xiàng)目的思路

1）通過(guò)運(yùn)用壓力鋼管洞內(nèi)分瓣安裝技術(shù)，能有效解決超大直徑壓力鋼管洞內(nèi)安裝不宜布置道路及洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，節(jié)約了壓力鋼管制作廠臨建設(shè)施費(fèi)用，規(guī)避了壓力鋼管二次轉(zhuǎn)運(yùn)及吊裝，節(jié)約了成本。

2）運(yùn)用壓力鋼管斜拉倒拼裝的方法，利用弧形軌道型鋼支架作為壓力鋼管和臺(tái)車的運(yùn)輸軌道，通過(guò)下彎段上部設(shè)計(jì)的支撐鋼梁上的卷?yè)P(yáng)機(jī)對(duì)壓力鋼管進(jìn)行傾斜拉、拽，使壓力鋼管沿著型鋼軌道從下往上位移（倒置位置），實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)壓力鋼管上、下管口的壓縫、調(diào)圓。

3）通過(guò)萬(wàn)向輪式臺(tái)車對(duì)壓力鋼管進(jìn)行整節(jié)移位湊合節(jié)安裝以達(dá)到整條壓力鋼管閉合，能夠?qū)崿F(xiàn)超大直徑壓力鋼管洞內(nèi)進(jìn)行瓦片吊運(yùn)、組圓、拼裝、焊接、矯正、運(yùn)輸、安裝的一體化施工[3-5]。

3 研究的主要內(nèi)容

3.1 壓力鋼管洞內(nèi)分瓣組圓施工技術(shù)

1）壓力鋼管運(yùn)輸及拼裝附屬設(shè)施設(shè)計(jì)。在施工支洞與壓力鋼管安裝隧洞結(jié)合部位頂部進(jìn)行局部擴(kuò)挖，垂直軸線方向擴(kuò)挖范圍為6～8 m，埋設(shè)1#、2#、3#天錨（錨桿長(zhǎng)均8 m），起吊設(shè)計(jì)能力為30 t，在施工支洞底板上布置2臺(tái)5 t的卷?yè)P(yáng)機(jī)及配套滑輪組，與天錨共同負(fù)責(zé)壓力鋼管瓦片裝卸與組裝任務(wù)。在引水隧洞主洞弧底敷設(shè)2條軌道，與其上布置的弧形拼裝臺(tái)車，形成壓力管道組裝、運(yùn)輸平臺(tái)。

2）壓力鋼管瓦片組圓。壓力鋼管由3瓣瓦片構(gòu)成，裝運(yùn)前單個(gè)瓦片需要安裝三角內(nèi)支并進(jìn)行防腐處理，由運(yùn)輸臺(tái)車從施工支洞運(yùn)至拼裝位置，利用天錨、滑輪組及卷?yè)P(yáng)機(jī)，依次將第1瓣瓦片、第2瓣瓦片、第3瓣瓦片運(yùn)輸?shù)交⌒闻_(tái)車上，完成整體組圓、拼裝及縱縫焊接工作（圖1～圖3）。

3.2 壓力鋼管下彎段安裝“斜拉倒裝技術(shù)”的應(yīng)用

1）下彎段壓力管道安裝輔助設(shè)施設(shè)計(jì)。在下彎段上方架設(shè)支撐鋼梁及防護(hù)平臺(tái)，其上布置1#、2#、3#卷?yè)P(yáng)機(jī)（10 t），作為壓力鋼管定位、安裝起吊裝置；沿壓力鋼管下彎段軸線兩側(cè)鋪設(shè)弧形軌道，采用預(yù)先埋設(shè)在已澆混凝土中的型鋼進(jìn)行支撐，形成壓力鋼管安裝軌道；在下彎段中心布置地錨及導(dǎo)向滑輪、下平段起始部位布置卷?yè)P(yáng)機(jī)，共同控制壓力鋼管管節(jié)安裝的方向調(diào)整。

圖1 壓力鋼管立面示意

圖2 壓力鋼管洞內(nèi)安裝工況示意

圖3 壓力鋼管第1瓣瓦片安裝示意

2）下彎段壓力鋼管首節(jié)運(yùn)輸、安裝及固定。首先將首節(jié)壓力鋼管在弧形運(yùn)輸臺(tái)車上，利用組裝部位的天錨對(duì)壓力鋼管進(jìn)行翻身后，利用下平段的導(dǎo)向卷?yè)P(yáng)機(jī)及地錨導(dǎo)向滑輪將壓力鋼管和臺(tái)車運(yùn)輸至下彎段45°位置懸停，然后連接支撐鋼梁上安裝的1#、2#、3#卷?yè)P(yáng)機(jī)與壓力鋼管管節(jié)預(yù)先設(shè)定的吊點(diǎn)，解除地錨與水平段布置卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引裝置，緩慢開啟1#、2#主吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)機(jī)，將壓力鋼管首節(jié)緩慢地自下往上滑移，通過(guò)控制3#輔助卷?yè)P(yáng)機(jī)將壓力鋼管斜拉、拽至安裝高程，通過(guò)錨桿將其定位牢固或澆筑混凝土固定定位節(jié)（圖4）。

圖4 斜井下彎段斜拉倒拼裝方法

3）下彎段首節(jié)以后管節(jié)安裝。通過(guò)3#卷?yè)P(yáng)機(jī)、弧形運(yùn)輸臺(tái)車將后續(xù)管節(jié)運(yùn)輸至安裝部位，以定位首節(jié)壓力管道下管口為基準(zhǔn)，與后續(xù)管節(jié)的下管口進(jìn)行倒置壓縫、加固，運(yùn)輸臺(tái)車以自重沿軌道返回下平段，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)下彎段壓力鋼管倒置拼裝。

4）附屬設(shè)施的拆除。下彎段壓力鋼管安裝完成后，支架鋼梁通過(guò)豎井或斜井直接吊運(yùn)至頂部運(yùn)出，亦可從壓力鋼管內(nèi)部運(yùn)出。

3.3 壓力鋼管整節(jié)湊合不修割技術(shù)的應(yīng)用

隧洞內(nèi)壓力鋼管安裝時(shí)，經(jīng)常需要在壓力鋼管安裝位置預(yù)留人員、材料及設(shè)備等施工通道，保證土建作業(yè)的正常施工。采用壓力鋼管整節(jié)湊合不修割技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)此目的。

3.3.1 壓力鋼管運(yùn)輸軌道安裝

1）以壓力鋼管運(yùn)輸軌道高程為基礎(chǔ)，鋪設(shè)垂直于運(yùn)輸軌道的2條軌道，軌道間距等于萬(wàn)向輪式臺(tái)車單側(cè)中心間距，底部采用角鋼、槽鋼進(jìn)行可靠焊接，保證交叉軌道懸空受力滿足湊合節(jié)與萬(wàn)向輪式臺(tái)車總重要求。

2）軌道鋪設(shè)完成后將壓力鋼管臺(tái)車放置于軌道上端面，可進(jìn)行模擬運(yùn)輸，校驗(yàn)臺(tái)車車輪間距與軌道間距是否滿足配合要求，若發(fā)生卡輪等現(xiàn)象要進(jìn)行修正，然后進(jìn)行壓力鋼管軌道上的運(yùn)輸及安裝施工。

3）壓力鋼管運(yùn)輸作業(yè)完成后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件將軌道拆除后再循環(huán)利用，或者作為壓力鋼管外壁支撐埋入外包混凝土中（圖5）。

3.3.2 萬(wàn)向輪式臺(tái)車的安裝

1）利用壓力鋼管運(yùn)輸軌道將湊合節(jié)運(yùn)至安裝部位進(jìn)行卸車，采用4個(gè)10 t螺旋千斤頂將壓力鋼管頂升至高于安裝中心200 mm左右，采用鋼管或工字鋼將湊合節(jié)臨時(shí)支撐。

2）將自制萬(wàn)向輪式臺(tái)車（圖6）安裝于湊合節(jié)正下方（萬(wàn)向輪式臺(tái)車寬度不宜比管節(jié)寬），然后旋動(dòng)4個(gè)10 t螺旋千斤頂，使湊合節(jié)下降，去除鋼管或工字鋼臨時(shí)支撐，讓湊合節(jié)與萬(wàn)向輪式臺(tái)車平穩(wěn)接觸。

圖5 運(yùn)輸軌道結(jié)構(gòu)及布置

圖6 萬(wàn)向輪式臺(tái)車結(jié)構(gòu)

3）調(diào)整萬(wàn)向輪式臺(tái)車與湊合節(jié)相對(duì)于安裝基準(zhǔn)軸線的高程，高程誤差控制在5 mm左右，然后采用焊接或其他壓緊裝置將湊合節(jié)與臺(tái)車固定為整體。

3.3.3 整節(jié)湊合拼裝方法

1）湊合節(jié)與相鄰管節(jié)拼裝。以相鄰調(diào)整合格后的壓力鋼管為基準(zhǔn)，利用手拉葫蘆、千斤頂?shù)日{(diào)整湊合節(jié)的中心和高程，同時(shí)用千斤頂和拉緊器調(diào)整相鄰管口的間隙，采用壓碼和楔鐵進(jìn)行管口壓縫。壓縫工作結(jié)束后，利用水準(zhǔn)儀、線錘、鋼卷尺等工具重新復(fù)核首裝節(jié)鋼管中心偏差，然后采用同樣的方法將前、后、湊合節(jié)調(diào)節(jié)成整體。湊合節(jié)前后2節(jié)鋼管均調(diào)整合格后，用型鋼進(jìn)行管節(jié)的加固。

2）利用事先布置好的十字軌道，將臺(tái)車和湊合節(jié)整體沿著移位軌跡恢復(fù)到預(yù)先安裝的位置，預(yù)留施工通道供土建人、材、機(jī)等進(jìn)入并進(jìn)行土建施工。

3）待土建施工完畢后，將臺(tái)車和湊合節(jié)整體通過(guò)軌道恢復(fù)到安裝位置，再進(jìn)行壓縫、調(diào)圓、焊接，不再對(duì)壓力鋼管湊合節(jié)進(jìn)行修割（圖7）。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1）采用壓力鋼管洞內(nèi)分瓣安裝技術(shù)，能夠有效解決超大直徑壓力鋼管洞內(nèi)安裝的道路運(yùn)輸問(wèn)題。

2）運(yùn)用壓力鋼管斜拉倒裝技術(shù)，保證了壓力鋼管定位精度和安裝質(zhì)量，節(jié)約了安裝工期。

3）采用壓力鋼管安裝整節(jié)湊合不修割技術(shù)，為土建施工提供了作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)了土建與金結(jié)施工的合理搭接，縮短了工期，保證施工質(zhì)量。

圖7 壓力鋼管整節(jié)湊合不修割施工

5 結(jié)語(yǔ)

1）本項(xiàng)目通過(guò)超大直徑壓力鋼管分瓣運(yùn)輸安裝技術(shù)、斜拉倒裝施工技術(shù)及整體湊合不修割技術(shù)的應(yīng)用，減少施工人、材、機(jī)的投入，降低施工成本94萬(wàn)元；縮短了工期，節(jié)約節(jié)點(diǎn)目標(biāo)工期2個(gè)月；提高了壓力鋼管安裝質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了壓力鋼管安裝合格率100%、優(yōu)良率98%；規(guī)避了超大直徑壓力鋼管安裝施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)，杜絕安全事故發(fā)生。

2）該研發(fā)技術(shù)的成功實(shí)施，為類似水利工程引水隧洞壓力鋼管安裝積累了經(jīng)驗(yàn)，可在其他特殊工況的超大直徑壓力鋼管安裝中予以推廣應(yīng)用。

3）該施工技術(shù)也有一定的局限性，尤其是洞內(nèi)斜拉倒裝法施工的安裝效率還有待提高，洞內(nèi)焊接壓力鋼管縱縫時(shí)，考慮到洞內(nèi)洞壁滲水和潮濕的問(wèn)題，焊縫焊接后合格率明顯低于壓力鋼管加工廠焊接縱縫的合格率。