木星土水電站豎井全襯砌大型壓力鋼管安裝技術(shù)與方案設(shè)計

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水電開發(fā)的第四級電站，電站裝機2臺單機容量 60MW 水輪發(fā)電機組。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階梯形軸線鋼板全襯砌全洞內(nèi)埋管布置形式，圓形過流斷面，為電站永久性主要建筑物。

壓力鋼管設(shè)計靜水頭421.1m，最大水頭520.0m；主管直徑Ф3.0m，軸線長度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，軸線長度131.85m；設(shè)計安裝總工程量2830.5t。設(shè)計靜水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。

按鋼管軸線布置和形式壓力鋼管分為：上平洞段、1#彎管段、上豎井段、2#彎管段、中平段、3#彎管段、下豎井段、4#彎管段、下斜井段、水平段、岔管段和支管水平段等部分組成。其中，上、下豎井段壓力鋼管安裝高度達(dá)114 m和200 m，分別相當(dāng)于38層和67層樓高，安裝工程量達(dá)186節(jié)（含上、下彎管段），約占整個工程壓力鋼管安裝工程量的三分之一。

2 豎井安裝技術(shù)方案規(guī)劃和布置

壓力鋼管安裝總體方案規(guī)劃和布置見圖1。

（1）安裝起始點選定。根據(jù)壓力鋼管管線布置技術(shù)特性，為便于始裝定位節(jié)的安裝定位和與彎管及后續(xù)直管管節(jié)進(jìn)行銜接，確保彎管和豎井直管管節(jié)安裝控制精度，選擇水平管節(jié)為始裝定位節(jié)。其中，上豎井選定2＃彎管段與中平洞連接處的第一節(jié)水平管節(jié)為始裝定位節(jié)（圖1所示2＃始裝定位節(jié)）。下豎井選定4＃彎管段與下斜洞連接處的第一節(jié)斜管節(jié)為始裝定位節(jié)（圖1所示3＃始裝定位節(jié)）。

（2）豎井壓力鋼管安裝順序：1）上豎井。從2＃始裝定位節(jié)開始，自下游向上游沿 2＃彎管段向上→ 上豎井段→ 1＃彎管段 → 上平洞施工支洞方向，依次按順序進(jìn)行管節(jié)安裝。2）下豎井。從 3＃始裝定位節(jié)開始，自下游向上游沿4＃彎管段向上 →下豎井段 → 3＃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。

（3）調(diào)整節(jié)設(shè)置。由于上、下豎井鋼管軸線較長、管節(jié)數(shù)量多、管節(jié)節(jié)間拼裝修割和環(huán)縫焊接收縮量較大，為防止上、下豎井段管節(jié)安裝過程中，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。

圖1 木星土水電站壓力鋼管始裝定位節(jié)、安裝順序及湊合節(jié)布置軸向剖面示意圖

3 上、下豎井壓力鋼管安裝設(shè)計

3.1 2#和4#下彎管段安裝

2#和4#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)驗收確認(rèn)合格后方可進(jìn)行。

下彎管段管節(jié)安裝可采用兩種方式，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)運輸臺車和臨時天錨配合方式，先將管節(jié)拉入安裝部位，臨時固定牢固，然后先安裝 2#或 3#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)安裝好臨時軌道，然后先安裝 2#或 3#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時，可在彎管洞壁上游側(cè)適當(dāng)位置設(shè)置一臨時輔助錨點，輔助牽引管節(jié)下滑移動，以確保各彎管節(jié)下滑時的安全和減少自重下滑分力，見圖2。

3.2 上、下豎井段安裝

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

上、下豎井段管節(jié)安裝應(yīng)在2#和4#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。

3.2.1 豎井管節(jié)吊裝

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或礦井提升機起重吊裝方案，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，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。

綜合對比各種起重吊裝方案安全可靠性、工作效率、操作簡易性和設(shè)備采購使用成本等因素，本工程推薦在豎井段管節(jié)起重安裝中，選用“天錨＋卷揚機” 吊裝方案。

圖2 2#（4#）下彎管段鋼管安裝示意圖

其優(yōu)點是：可充分利用現(xiàn)有土建施工條件、技術(shù)簡單易行、安全可靠性較高，設(shè)備采購使用成本經(jīng)濟(jì)，施工方式簡單靈活、吊裝工效較高，起吊高度可不受起吊高度限制。見圖3所示。

圖3 114m（200m）豎井段鋼管安裝示意圖

為防止鋼管在豎井內(nèi)吊裝過程中，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)鋼管吊裝時應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的“防止管節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置”技術(shù)措施。

3.2.2 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上下出入，豎井安裝施工采用“豎井專用工作臺車＋吊籠裝置”工作方式進(jìn)行管節(jié)的安裝和焊接。

圖4 1#（3#）上彎管段鋼管安裝示意圖

3.3 調(diào)整節(jié)安裝及1#和3#上彎管段安裝

豎井高度調(diào)整節(jié)應(yīng)根據(jù)上、下豎井鋼管安裝高程實際偏差，采用整節(jié)加長鋼管或?qū)ｉT進(jìn)行配制。

1#和 3#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，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)運輸臺車+洞頂天錨+卷揚機+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)運輸臺車+卷揚機（雙牽引）+弧形軌道+手拉葫蘆”方式，利用鋼管自重和滑動支架與事先設(shè)置在上彎段底部的弧形軌道滑動摩擦，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，可采用雙卷揚機或在對面方向設(shè)置臨時導(dǎo)向輪方法，以輔助牽引管節(jié)移動和下滑。見圖4所示。

4 豎井安裝天錨吊裝裝置設(shè)計

4.1 豎井吊裝天錨設(shè)計

4.1.1 天錨起重量及有效起吊高度選定

按上豎井最大單管節(jié)重量2.493t，下豎井最大單管節(jié)重量2.888t，預(yù)留二節(jié)一組管節(jié)單元起重吊裝載荷能力，并考慮滑輪組、吊具、鋼絲繩重量、使用頻次和起重荷載系數(shù)及預(yù)留安全裕量等因素，選定上、下豎井吊裝天錨起重荷載能力≥15.0t。

天錨最小有效起吊高度選定，按滿足管節(jié)豎（立）裝或臥（橫）裝時，能有效吊起脫離運載車輛，且起吊鋼絲繩夾角及滑輪組和運載車輛上下均余有一定的空間安全裕度考慮。選定最小有效起吊高度≥8.5m。

最大有效起吊高度，按滿足豎井下彎管段最末端管節(jié)下放滑移和安裝到位選定，上豎井≥120m，下豎井≥210m。

4.1.2 天錨型式及位置設(shè)置

（1）型式。天錨選用由三根互成15o～30o夾角錨桿組成一組型式。錨桿采用 3根長度 L=6.0～8.0m，Ф26.0～28.0mm螺紋鋼筯，在洞室頂部巖石上打孔注漿錨固后作為天錨的承載錨點，下部端部采用鋼板或型鋼進(jìn)行電焊聯(lián)接加固后作為天錨的起吊懸掛承載錨點。

（2）安裝高度和頂部擴(kuò)挖空間尺寸選定要求：1）滿足安全、高效、經(jīng)濟(jì)的原則。2）滿足天錨安裝、拆除和安全運行的空間要求。3）滿足單管節(jié)卸車，豎井洞口地面兩節(jié)一組拼裝和整體吊裝高度和空間要求。4）滿足上、下豎井上彎管段采用天錨進(jìn)行吊裝的空間和位置要求。

（3）位置設(shè)置見圖1、2、3、4。

4.2 卷揚機、滑輪組及鋼絲繩的選擇

4.2.1 洞內(nèi)卸車天錨起重卷揚機及滑輪組

按洞內(nèi)二節(jié)一組最大單元管節(jié)起重重量，上豎井 2.493×2（t），下豎井 2.888×2（t），下斜井段3.191×2（t），考慮吊具及鋼絲繩重量，選定洞內(nèi)最大單元管節(jié)卸車荷載7t。

考慮卸車天錨起重卷揚機使用的便捷性、靈活性、通用性和設(shè)備采購使用成本等因素，推薦選用型號為JM-5型慢速電動卷揚機，鋼絲繩額定速度10～18m/min，鋼絲繩直經(jīng)d≥22mm，卷筒容繩量≥100m。

天錨滑輪組按最大單元管節(jié)及吊索具重量 7t荷載考慮，選定采用16t滑輪組及2倍率鋼絲繩，作為導(dǎo)向和倍率轉(zhuǎn)換使用。

4.2.2 豎井吊裝起重卷揚機

（1）最大起重荷載及起升高度。上、下豎井管節(jié)安裝按采用單管節(jié)運輸和吊裝方式，預(yù)留兩節(jié)一組管節(jié)單元吊裝載荷能力?？紤]吊具、平衡梁和鋼絲繩等重量，最大起重吊裝載荷分別為（4.986t＋0.5＋0.5＋1.0）=7.0（t）和（5.776＋0.5＋0.5＋1.5）=8.28（t）。最大升降高度，上豎井≥120m，下豎井≥210m。

（2）工作方式：1）運行工況：空載上升、負(fù)載下降。2）工作方式：單機電動、手動操作。

（3）位置布置。豎井吊裝卷揚機的洞內(nèi)布置，應(yīng)以盡量不影響洞內(nèi)管節(jié)運輸車輛安全通行和豎井管節(jié)吊裝安全操作為原則，可布置在洞內(nèi)兩側(cè)回車洞或?qū)ｉT開挖的卷揚機洞室內(nèi)較為適宜。

（4）豎井吊裝起重卷揚機選擇。考慮豎井吊裝起重卷揚機使用的安全可靠性、靈活便捷性、通用適應(yīng)性和吊裝工作效率及設(shè)備采購使用成本等因素，推薦選用型號為 JK-5型快速電動卷揚機，鋼絲繩額定速度19～34m/min，鋼絲繩直經(jīng)d≥22mm，卷筒容繩量上豎井≥250m，下豎井≥450m。

天錨滑輪組按二節(jié)一組最大單組管節(jié)及吊索具重量8.5t考慮，選定采用 16t滑輪組及2～3倍率鋼絲繩，作為起重倍率轉(zhuǎn)換使用。

（5）豎井吊裝卷揚機安裝使用中應(yīng)注意事項：1）天錨、卷揚機和滑輪組安裝應(yīng)牢固可靠，安裝位置應(yīng)在一直線，中間無障礙、視線通透，便于操作人員視覺觀察。2）卷揚機應(yīng)設(shè)置升降高度指示、偏差顯示和過載保護(hù)等保護(hù)和警示裝置，卷筒上鋼絲繩的纏繞層數(shù)不應(yīng)超過廠家規(guī)定。3）豎井天錨吊裝系統(tǒng)安裝完畢后，應(yīng)按相關(guān)規(guī)定連同平衡梁一并進(jìn)行荷載試驗和安全鑒定合格，并配置相應(yīng)的通訊、指揮和照明措施后，方可投入正式使用。

4.3 豎井管節(jié)吊裝防止旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計

為防止和解決鋼管管節(jié)在高豎井內(nèi)吊裝下放和空鉤提升過程中，因上、下滑輪組之間距離較大和鋼絲繩自旋力，引起系統(tǒng)鋼絲繩和滑輪組扭轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)，造成鋼絲繩纏繞死鉤情況，確保被吊裝管節(jié)安全、平穩(wěn)的提升和下放，必須設(shè)置相應(yīng)的防止管節(jié)吊裝旋轉(zhuǎn)裝置。

5 豎井鋼管安裝施工的測量、照明及通訊

（1）管口高程和中心測量與控制。上、下豎井管節(jié)安裝高程及水平度的測量與控制，采取長鋼卷尺預(yù)先在豎井內(nèi)壁上分段布設(shè)若干固定的高程控制點，然后在安裝過程中，每安裝 2～3節(jié)用水準(zhǔn)儀對鋼管管口的高程及水平度進(jìn)行一次測量和調(diào)整?；虿捎酶呔燃す鉁y距儀(如：BOSCH GLM250 VF型)，由豎井底部安裝高程基準(zhǔn)點，直接對各安裝管節(jié)進(jìn)行測量和控制。

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

（2）施工照明。豎井洞內(nèi)安裝施工照明，采取在豎井頂部和底部各分別設(shè)置安裝 1～2組大功率投射燈，作為主要施工照明措施，同時在安裝作業(yè)平臺上輔以布置若干低壓手燈及高亮度手電筒進(jìn)行局部補充照明。

（3）施工通訊。豎井洞內(nèi)施工的上、下通訊，采用大功率對講機進(jìn)行聯(lián)系。為確保洞內(nèi)通訊暢通，每個工作面的對講機配置數(shù)量不宜少于2臺。

6 結(jié) 語

木星土水電站114m和200m高豎井內(nèi)大型壓力鋼管起重吊裝與安裝技術(shù)，經(jīng)安裝單位工程實踐應(yīng)用證明，方案設(shè)計科學(xué)合理，設(shè)備選擇和工裝設(shè)計經(jīng)濟(jì)實用，安全可靠性和工作效率高，操作簡單易行，工程投資省，得到了工程建設(shè)單位、監(jiān)理單位和設(shè)計代表的高度評價和贊譽，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。也為其它同類水電站超深豎井壓力鋼管安裝施工積累了經(jīng)驗。