抽水蓄能電站超長斜井鋼管安裝與混凝土施工技術(shù)

江誼園，程雪如

(1.中國葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2. 中國能建工程研究院水電施工設(shè)計研究所，湖北 宜昌 443002；3.長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

位于“兩山”理念發(fā)源地浙江省安吉縣的長龍山抽水蓄能電站工程裝機(jī)規(guī)模2 100 MW，主要承擔(dān)華東電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建(構(gòu))筑物組成；引水發(fā)電系統(tǒng)采用“三洞六機(jī)”斜井式布置。三條引水下斜井采用全壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計，傾角均為58°，開挖斷面5.0 m×5.9 m，鋼管直徑4.4 m；單條斜井長度達(dá)415 m，該長度位列當(dāng)時同類在建工程的國內(nèi)第一、世界第二，設(shè)置鋼管共84個安裝單元(含上彎段和下彎段)，鋼管外設(shè)計采用C20二級配混凝土回填，厚度70～80 cm。引水斜井為工程施工次關(guān)鍵線路項目，工期緊張；斜井深度大、傾角陡、空間狹小，施工難度及安全風(fēng)險較大。為此，需在傳統(tǒng)施工技術(shù)基礎(chǔ)上研究創(chuàng)新施工技術(shù)、研發(fā)新裝置，以保證工程進(jìn)度及施工安全。

1 施工難點

對于斜井工程，受重力方向與斜井軸線為銳角影響，相較于平洞或豎井工程，進(jìn)行鋼管運輸、安裝及混凝土回填施工的難度大大增加。而對于長度超過400 m的超長斜井，其施工難度更大，主要難點包括3個方面：

1)鋼管井內(nèi)溜放與安裝難度大。本工程鋼管直徑4.4 m，采取廠內(nèi)加工制作完成后整體運輸安裝，在平洞內(nèi)運輸線路長、轉(zhuǎn)向難度大、傳統(tǒng)運輸方式慢；單節(jié)鋼管重量近30 t，在井內(nèi)溜放傾角大、距離長，存在安全風(fēng)險大、對接就位難度大等難點。

2)超長斜井回填混凝土施工難度大。實施長度超過400 m的斜井回填混凝土施工在國內(nèi)尚屬首次，混凝土入倉除采用溜管外尚無可替代方案，但溜管長距離入倉存在堵管幾率大、磨損快、混凝土骨料分離控制難度大等問題，一旦出現(xiàn)堵管，處理難度大、風(fēng)險高，且耗時長。

3)鋼管安裝與混凝土回填交面頻繁，影響工期，施工組織難度較大。按照投標(biāo)方案規(guī)劃，鋼管安裝和混凝土回填循環(huán)長度為36 m，每安裝6節(jié)(6 m/節(jié))鋼管后向土建交面，進(jìn)行一次混凝土回填施工，交面較頻繁，加之施工空間受限、通行困難等，影響施工進(jìn)度和節(jié)點工期，且工序銜接工作量增加，施工組織難度較大。

2 超長斜井鋼管快速運輸技術(shù)

通過調(diào)整牽引方式、研發(fā)專用臺車、止鎖裝置等措施，實現(xiàn)了抽蓄電站大直徑鋼管平洞內(nèi)快速運輸、轉(zhuǎn)向，安全轉(zhuǎn)換至斜井內(nèi)下放，并快速準(zhǔn)確定位。

2.1 平洞內(nèi)快速運輸技術(shù)

平洞內(nèi)鋼管運輸傳統(tǒng)方法采取布置卷揚機(jī)作為動力，牽引運輸臺車進(jìn)行鋼管運輸，該方法需單獨擴(kuò)挖布置卷揚機(jī)，并設(shè)置多組導(dǎo)向輪以滿足平洞上下游側(cè)鋼管牽引運輸，不僅布置復(fù)雜、轉(zhuǎn)向不靈活，且運輸速度慢。經(jīng)過仔細(xì)核算及現(xiàn)場實踐，采用“輪式牽引機(jī)車+有軌臺車”替代傳統(tǒng)卷揚機(jī)牽引方式進(jìn)行鋼管洞內(nèi)水平運輸，鋼管安放固定在專用有軌臺車上，由輪式牽引機(jī)車通過連接件牽引有軌臺車在洞內(nèi)運輸軌道上運行，如圖1所示，利用千斤頂輔助有軌臺車在岔洞口進(jìn)行轉(zhuǎn)向，較傳統(tǒng)卷揚機(jī)牽引不僅更加高效，且布置簡單，解決了洞內(nèi)空間狹小、轉(zhuǎn)向困難的問題；有軌運輸臺車總體尺寸與管節(jié)尺寸相匹配，設(shè)置弧形托架及吊耳，以便將鋼管牢固固定在臺車上，保證運輸過程中的穩(wěn)定性，有軌運輸臺車橫剖面如圖2所示。

圖1 牽引車牽引有軌運輸臺車示意圖

圖2 有軌運輸臺車橫剖面圖

2.2 斜井內(nèi)安全下放技術(shù)

鋼管運輸至靠近斜井上彎部位后，在下游側(cè)軌道上安裝專用止鎖裝置防止臺車下滑。斜井內(nèi)采用雙聯(lián)卷筒卷揚機(jī)、配置雙鋼絲繩進(jìn)行鋼管溜放，其中一根鋼絲繩作為保險，鋼管利用自重下滑至安裝部位。

3 超長斜井鋼管無內(nèi)撐優(yōu)質(zhì)安裝技術(shù)

旋轉(zhuǎn)橫梁頂撐裝置安裝實現(xiàn)了超長大型鋼管無內(nèi)支撐安裝。采用“多層多道、左右對稱、分段退步”的焊接工藝，有效提高了斜井內(nèi)鋼管焊接質(zhì)量。

3.1 斜井內(nèi)鋼管無內(nèi)撐拼裝技術(shù)

鋼管每6 m為一個安裝節(jié)，通過斜井溜放系統(tǒng)溜放入井到達(dá)安裝位置，然后依次進(jìn)行拼裝、精調(diào)、定位(檢驗)、加固等準(zhǔn)備作業(yè)。準(zhǔn)備作業(yè)采用旋轉(zhuǎn)橫梁頂撐裝置如圖3所示，進(jìn)行壓縫拼裝施工，該裝置安裝在鋼管內(nèi)裝配臺車上，可以進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，對縫間隙、錯臺精確調(diào)整合格后進(jìn)行定位焊接，從而取消了環(huán)縫組對傳統(tǒng)施工工藝中的壓碼與鎖板，實現(xiàn)了超長斜井內(nèi)大型鋼管無內(nèi)支撐安裝，提高了高強(qiáng)鋼管安裝工效及質(zhì)量。

圖3 旋轉(zhuǎn)橫梁頂撐裝置(壓縫器)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 斜井內(nèi)鋼管快速優(yōu)質(zhì)焊接技術(shù)

準(zhǔn)備作業(yè)完成后，實施鋼管環(huán)縫焊接(檢驗)工序，該工序為鋼管安裝最重要工序之一。斜井內(nèi)鋼管焊接采用焊條電弧焊，正式開焊前須進(jìn)行焊接工藝試驗及評定，編制焊接工藝規(guī)程。鋼管環(huán)縫焊接采用“多層多道、對稱、分段退步”的焊接工藝，不同管材、不同位置的焊接采用不同的焊接參數(shù)，焊接順序及焊工布置如圖4所示。600 MPa鋼選用J607RH型焊條，直徑為φ3.2 mm和φ4.0 mm；800 MPa鋼選用J80SD型焊條，直徑為φ3.2 mm和φ4.0 mm；異種鋼焊接時，采用低強(qiáng)度母材的焊接材料、高強(qiáng)度母材的焊接工藝。

圖4 焊接順序及焊工布置示意圖

4 超大段長鋼管安裝及混凝土施工技術(shù)

通過理論計算、現(xiàn)場實踐及加強(qiáng)監(jiān)測，將鋼管安裝及混凝土回填循環(huán)長度由36 m調(diào)整至60 m，并應(yīng)用專利技術(shù)，實現(xiàn)超大段長鋼管安裝及混凝土澆筑快速施工，施工速度由傳統(tǒng)方案每22～25 d完成36 m，提升至每18～22 d完成60 m。

4.1 超大段長鋼管安裝施工技術(shù)

按照招標(biāo)方案規(guī)劃及類似工程實例，斜井內(nèi)鋼管安裝一般為36 m一個循環(huán)，混凝土澆筑循環(huán)長度與之對應(yīng)，每循環(huán)工期約22～25 d。鋼管安裝循環(huán)長度主要受制于其外包混凝土澆筑速度及循環(huán)長度。通過分析計算鋼管在混凝土內(nèi)的臨界外壓值[1]，根據(jù)SL 281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》附錄B“地下埋管結(jié)構(gòu)分析方法”中的“B.2.2加勁環(huán)式鋼管的臨界外壓力計算”，在澆筑回填混凝土?xí)r，鋼襯的受力狀態(tài)應(yīng)按明管進(jìn)行計算[2]。經(jīng)計算得新澆筑混凝土未達(dá)到初凝狀態(tài)的允許深度約31 m，考慮混凝土初凝時間及1.8倍安全系數(shù)，計算得混凝土澆筑上升速度[1]應(yīng)控制在2.87 m/h以內(nèi)，現(xiàn)場實際澆筑強(qiáng)度約27 m3/h，對應(yīng)上升高度為1.33 m/h，故鋼管不會因澆筑混凝土而發(fā)生超設(shè)計允許值的位移或變形，為加大鋼管安裝循環(huán)長度提供了必要條件。

根據(jù)以上理論分析成果，將鋼管安裝循環(huán)長度調(diào)整為48 m，經(jīng)現(xiàn)場實際驗證，鋼管未發(fā)生位移或變形；后續(xù)施工將循環(huán)長度調(diào)整至60 m，共10個安裝節(jié)，同時采取適當(dāng)增加鋼管外支撐，以確保鋼管不發(fā)生位移，并布設(shè)應(yīng)力計對澆筑過程及澆筑后的鋼管應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，通過應(yīng)力變化情況反映是否發(fā)生超標(biāo)變形。經(jīng)現(xiàn)場實踐證明，將鋼管安裝循環(huán)長度調(diào)整為60 m的超大段長鋼管安裝過程順利，回填混凝土澆筑過程中鋼管未出現(xiàn)異常應(yīng)力變化，混凝土澆筑后鋼管頂部、底部及左右腰線處的應(yīng)力變化逐漸趨于穩(wěn)定，且均在允許范圍內(nèi)，即變形滿足設(shè)計要求。以1#引水下斜井1+456斷面鋼管應(yīng)力為例，繪制該斷面鋼管應(yīng)力變化曲線，具體如圖5所示。

圖5 1#引水下斜井1+456斷面鋼管應(yīng)力變化曲線圖

由于單循環(huán)段長增大，減少了金結(jié)與土建的交面次數(shù)，這樣不僅減小了現(xiàn)場施工組織難度，也節(jié)省了反復(fù)交面導(dǎo)致的成本增加，縮短了工期。

4.2 超長斜井混凝土施工技術(shù)

通過應(yīng)用自主研發(fā)的專利裝置、優(yōu)化混凝土配合比等技術(shù)措施，實現(xiàn)超長斜井混凝土安全高效施工。

1)采用自主研發(fā)的兩種裝置“一種耐磨的混凝土澆筑溜管[3]”和“大落差混凝土澆筑用緩沖器[4]”進(jìn)行大段長混凝土澆筑，有效降低和緩沖混凝土下滑速度，從而提高溜管使用壽命?；炷翝仓锕芗熬彌_器布置如圖6所示。

圖6 混凝土澆筑溜管及緩沖器現(xiàn)場

2)根據(jù)不同深度對斜井回填混凝土級配進(jìn)行優(yōu)化，原設(shè)計均為二級配混凝土，調(diào)整為斜井下部150 m為自密實混凝土，上部約150 m為一級配流動性混凝土，從而有效降低堵管幾率，并保證入倉后仍具有良好的和易性，為保證澆筑質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

3)為避免混凝土料中可能出現(xiàn)的個別超徑塊石，在上彎段入倉溜槽處設(shè)置鋼筋網(wǎng)，將超徑石剔除，避免進(jìn)入溜管造成堵管。

4)在倉內(nèi)布置可移動分流溜槽，保證混凝土下料均勻，同時利用鋼管加固支撐布設(shè)振搗平臺實施振搗，保證混凝土澆筑密實。倉內(nèi)布置通風(fēng)管保障作業(yè)面空氣流通。

通過應(yīng)用以上技術(shù)措施，顯著延長了溜管使用壽命，降低了堵管幾率，從而提高了混凝土澆筑工效，并保證了澆筑質(zhì)量。

5 應(yīng)用效果

該項施工技術(shù)在長龍山抽水蓄能電站3條引水下斜井壓力鋼管安裝及混凝土回填施工中成功應(yīng)用，采用鋼管快速運輸及安裝技術(shù)、鋼管無內(nèi)撐優(yōu)質(zhì)安裝技術(shù)，以及超大段長鋼管安裝與混凝土回填技術(shù)，首次實現(xiàn)60 m大段長鋼管安裝及混凝土澆筑，施工過程安全高效，施工工效由原計劃每22～25 d完成36 m，提升至最快每18 d完成60 m，共計節(jié)約工期約4個月，為長龍山抽水蓄能電站2021年首臺機(jī)組發(fā)電、1年內(nèi)6臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電奠定了堅實基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

該技術(shù)通過優(yōu)化運輸手段和措施，實現(xiàn)了抽水蓄能電站大直徑鋼管洞內(nèi)井內(nèi)快速運輸；研發(fā)應(yīng)用專用裝置、調(diào)整單元循環(huán)長度等措施，首次實現(xiàn)了超深斜井內(nèi)60 m循環(huán)段長鋼管安裝與混凝土施工，機(jī)械化水平較高，有效加快了施工進(jìn)度，同時能夠保障施工安全質(zhì)量。目前，我國正在大力開發(fā)抽水蓄能電站，該技術(shù)的應(yīng)用對工程建設(shè)的快速推進(jìn)具有積極作用。

需要指出的是，該項技術(shù)還存在一些改進(jìn)空間：一是由于受超長全壓力鋼管斜井特殊結(jié)構(gòu)布置特點限制，未能實現(xiàn)對鋼管變形及偏移的直接監(jiān)測，有待進(jìn)一步研究監(jiān)測裝備和技術(shù)；二是壓力鋼管焊接仍為人工操作，有待研究自動化、智能化焊接技術(shù)。