岔河倒虹吸纜索吊裝方案設(shè)計(jì)

張?zhí)燔?/p>

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)第十五工程局有限公司 陜西 西安 710065）

1 概述

岔河倒虹吸是昆明市掌鳩河引水供水工程中的重點(diǎn)工程之一，其上游連接上公山隧洞出口，下游連接燕麥地隧洞進(jìn)口，中段在谷底橫跨普渡河。岔河倒虹吸壓力管道全部采用鋼管，全長(zhǎng)2093.025m，鋼管最低處最大水頭Hmax=414.11m，鋼管內(nèi)徑為D=2200mm，其Hmax·D值位居亞洲同類(lèi)倒虹吸之首。鋼管壁厚δ14mm～32mm，材質(zhì)為Q235C和16MnR。倒虹吸設(shè)計(jì)流量為8m3/s。倒虹吸鋼管始端樁號(hào)0+010.881，管軸線高程2000.789m，鋼管末端樁號(hào)1+855.692，管軸線高程1986.789m，兩端鋼管軸線高差14m。

岔河倒虹吸山勢(shì)陡峭，最陡段鋼管坡度達(dá)43°54′03″。在全長(zhǎng)2.1km的管線中，坡度在20°以下的管線長(zhǎng)749.997m,占全長(zhǎng)的35.8%；坡度在20°以上的管線長(zhǎng)1343.028m,占全長(zhǎng)的64.2%。全管線僅有10處與施工道路相連，除此外，再?zèng)]有可修筑施工道路的條件，機(jī)械設(shè)備根本無(wú)法到達(dá)管槽?，F(xiàn)場(chǎng)地形陡峭狹窄，致使在2.1km長(zhǎng)的管線近旁找不出一塊合適的場(chǎng)地用來(lái)做鋼管的臨時(shí)堆放點(diǎn)。在供管的高峰期,只有將鋼管蜿蜒堆放在施工道路的一側(cè),在安裝時(shí)再進(jìn)行倒運(yùn),鋼管最遠(yuǎn)的倒運(yùn)距離竟達(dá)到7.5km之遙。在此施工條件下，唯一經(jīng)濟(jì)可行的鋼管安裝方案就只有借助現(xiàn)有的施工道路，采用纜索起重機(jī)分段吊裝。

2 纜索吊裝方案設(shè)計(jì)

2.1 纜索的分段

纜索的分段要根據(jù)管線的平面布置和縱向軸線、管線的地形條件、吊裝設(shè)備的布置、現(xiàn)有設(shè)備的能力、鋼管吊重、卸車(chē)點(diǎn)、安裝順序等因素綜合考慮。由于現(xiàn)場(chǎng)地形條件限制，纜索起重機(jī)不能橫向移動(dòng),管軸線在平面上有偏折角的必須進(jìn)行分段。纜索吊裝范圍內(nèi)的管線至少要有一處與施工道路連接，便于塔架架立和鋼管裝卸。一般纜索低處的塔架應(yīng)布置在鎮(zhèn)墩低處，高處的塔架應(yīng)靠近鎮(zhèn)墩低處，因?yàn)橐话闫鹿苁紫劝惭b和固定低處的鎮(zhèn)墩處鋼管，再?gòu)牡吞幭蚋咛幰来伟惭b。一般情況下，一套纜索的跨度宜在200m～300m。分段距離過(guò)長(zhǎng)，鋼管用纜索吊裝的運(yùn)行時(shí)間就越長(zhǎng)，需要塔架就越高，主索受力就會(huì)增大；分段距離過(guò)小，就會(huì)增加纜索的拆除和安裝次數(shù)。另外，還要考慮埋設(shè)主錨和布置卷?yè)P(yáng)機(jī)的場(chǎng)地條件，以及主索的具體情況。纜索起重機(jī)的主錨至關(guān)重要，受力巨大，通常采用鋼絲繩捆綁圓木的地壟,不僅自身體積龐大，而且前部還需要有龐大的抗滑土體。在纜索分段時(shí)就需要考慮主錨位置的地形和地質(zhì)條件。

在此，以第一套纜索（見(jiàn)圖1）為例來(lái)說(shuō)明纜索的分段過(guò)程。在PK0+18m和PK0+295.8處為施工道路的兩個(gè)分支點(diǎn)，其間地形陡峭，再無(wú)修建道路的條件。兩道路支點(diǎn)間的管線在1#鎮(zhèn)墩（PK0+106.728m）處向下彎折42.5°，1#鎮(zhèn)墩上游還有86m鋼管安裝。根據(jù)以上條件綜合考慮，在PK0+18m和PK0+295.8處分別架設(shè)塔架，在1#鎮(zhèn)墩緊上游架設(shè)一套人字桿做中間支撐，其下游一跨作為主跨，上游一跨作為副跨，此段鋼管安裝采用復(fù)式纜索方案。上游主錨設(shè)在PK0-45.7m的山坡上,地形開(kāi)闊，地質(zhì)堅(jiān)硬。下游主錨在管槽內(nèi)不便設(shè)置，主索過(guò)塔架后呈Y型分開(kāi)，分別在PK0+411.683m管槽外兩側(cè)的岸坡上埋設(shè)兩個(gè)小主錨。采取此方案，1#鎮(zhèn)墩以下鋼管用纜索主跨進(jìn)行安裝，從0+295.8m處卸車(chē)，鋼管從3#鎮(zhèn)墩處開(kāi)始，依次從下向上安裝至1#鎮(zhèn)墩處。然后再轉(zhuǎn)移到上游的纜索副跨，從0+18m處卸車(chē)，鋼管安裝從1#鎮(zhèn)墩處開(kāi)始，依次從下向上安裝1#鎮(zhèn)墩上游鋼管。特別要注意的是：陡坡段鋼管安裝，必須要在鎮(zhèn)墩砼至少達(dá)到七天齡期強(qiáng)度后再開(kāi)始其高處的鋼管安裝，以避免發(fā)生塌管或溜管事故。

2.2 假定塔架的高度和纜索的長(zhǎng)度

首先，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)地形條件假定兩端塔架的高度。如果坡面地形沒(méi)有大的隆起，一般塔架高度選在15m～25m之間。

表1 岔河倒虹吸纜索受力計(jì)算成果表

其次,通過(guò)作圖試算法確定：纜索跨度內(nèi)各個(gè)位置在滿(mǎn)足吊裝最小安全距離時(shí)主索的長(zhǎng)度，再在這若干個(gè)主索長(zhǎng)度中找出其最小值Lmin，此長(zhǎng)度即是假定塔架高度情況下纜索的理想長(zhǎng)度。即主索長(zhǎng)度不能再增加，只有在此情況下吊裝鋼管才能順利通過(guò)全跨度內(nèi)的各位置；同時(shí)主索長(zhǎng)度也不宜再減少，因?yàn)榇饲闆r下的主索矢高相對(duì)最大，主索受力相對(duì)最小。在作圖分析時(shí)，纜索跨度內(nèi)各位置的選擇可采用對(duì)折法，將跨度依次進(jìn)行2等分，4等分，8等分……，各點(diǎn)間隔距離逐漸縮小。對(duì)各點(diǎn)的纜索長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較并取其小值，直到最小的兩纜索長(zhǎng)度相差在1cm以?xún)?nèi)，即為最理想的纜索長(zhǎng)度Lmin。在作圖時(shí)，吊裝的鋼管應(yīng)捆綁傾斜與管道坡度一致，這樣就可以最大限度增大纜索矢高，減小主索受力，也便于鋼管就位對(duì)接。同時(shí)在作圖分析時(shí)，纜索在吊重后繃緊，可按直折線進(jìn)行分析。鋼管吊裝時(shí)的最小安全距離（即低處鋼管安裝后,高處鋼管在從低處鋼管頂部通過(guò)時(shí),為保證施工安全二者之間應(yīng)有的最小距離）至少應(yīng)選為0.2m，特別注意應(yīng)從鋼管加勁環(huán)頂部或鎮(zhèn)墩砼頂部起算，而不是從鋼管頂部起算。

2.3 纜索的受力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算

假定了塔架高度和主索長(zhǎng)度后，接下來(lái)進(jìn)行纜索的受力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算，最終來(lái)選定主索或驗(yàn)算現(xiàn)有的主索。通過(guò)分析，當(dāng)?shù)踔卦诳缰袝r(shí)，纜索處于最不利受力狀態(tài)，所以?xún)H對(duì)跨中吊裝進(jìn)行分析和驗(yàn)算。首先，仍通過(guò)作圖試算法來(lái)確定纜索在跨中吊重情況下的矢高，即主索長(zhǎng)度等于Lmin時(shí)的矢高。具體方法是：先假定一個(gè)矢高，作圖確定出纜索長(zhǎng)度，將此長(zhǎng)度與Lmin比較，如果兩長(zhǎng)度相近到1cm以?xún)?nèi)，即可認(rèn)為此矢高就是所求的矢高。否則再重新假定一個(gè)矢高試算。矢高確定后，再對(duì)主索在此矢高下的吊裝情況進(jìn)行受力分析，計(jì)算出主索所受的拉力，從而選定主索或驗(yàn)算現(xiàn)有主索的安全系數(shù)。如不滿(mǎn)足要求，就需要對(duì)以上假定的塔架高度或主索矢高，以至于對(duì)纜索的跨度或主索直徑進(jìn)行調(diào)整，再重新試算，直至滿(mǎn)足要求。在對(duì)所有分段的纜索進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算后，再綜合考慮選取塔架的數(shù)量、主索的規(guī)格和長(zhǎng)度。

例如，岔河倒虹第一套纜索的主跨，其最小安全余高取為0.2m，通過(guò)試算，主跨主索理想長(zhǎng)度Lmin為235.16m，跨中矢高f為11.8m。取跨中部分為脫離體，畫(huà)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。不難看出，結(jié)構(gòu)受力為一平面匯交力系，主要的力有鋼管的重量G，吊具重Q，牽引力V和主索軸向拉力N。其中G和Q為已知力，根據(jù)靜力平衡條件列方程組，由ΣX=0和ΣY=0即可求得V和N。再根據(jù)主索的理論破斷力［N］與實(shí)際拉力N，計(jì)算出主索的實(shí)際安全系數(shù)K，與規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)［K］比較。如K≥［K］，則主索受力滿(mǎn)足要求。

第一套纜索主跨，已知吊重為6m長(zhǎng)δ14mm厚鋼管，G=44.9kN；跑車(chē)和滑輪組等吊具重Q=9.8kN。解得牽引力V=31.3kN，主索拉力N=257.2kN。主索為現(xiàn)有的 2根 φ44mm（6*37+FC）鋼絲繩，破斷拉力［N］=1678kN，實(shí)際安全系數(shù)K=6.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)［K］=3.5，故此方案可行。

2.4 實(shí)施效果

經(jīng)過(guò)吊裝設(shè)計(jì)，岔河倒虹吸鋼管吊裝共架設(shè)纜索8套次，其中上游的第一套纜索為兩跨復(fù)式纜索（見(jiàn)圖1）。在這8套纜索中，最大吊重103.6kN，最大跨度283.2m，最小矢跨比1/22，纜索兩端的塔架頂部最大高差155m，這些吊裝參數(shù)都達(dá)到了技術(shù)極限。

8套纜索的主索受力分析和強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1。

需要說(shuō)明地是，鋼管吊裝用的主索是此前吊裝岔河大橋的砼拱形箱梁所用，其纜索的跨度和吊重均遠(yuǎn)大于鋼管吊裝，故表1中主索的實(shí)際安全系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

該套纜索吊裝方案設(shè)計(jì)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形等實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算和理論分析，采用嚴(yán)格的技術(shù)措施，在岔河倒虹吸鋼管吊裝施工中得到了多次成功地運(yùn)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，為同類(lèi)型復(fù)雜地形條件下的吊裝提供了借鑒，具有一定的參考價(jià)值。陜西水利