大型地下電站引水洞壓力鋼管安裝方案對比分析

易 志，劉益勇

（中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038）

0 引 言

我國西南部大部分在建或即將開工的大型水電站受到地形的限制，多數(shù)布置為地下電站。為保證洞室結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，引水洞通常布置有壓力鋼管。壓力鋼管安裝方案與現(xiàn)場條件緊密相關(guān)，并直接影響工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度和投資，因此必須因地制宜，研究工程所處邊界條件下的壓力鋼管最優(yōu)安裝方案。

1 主要方案簡述

壓力鋼管安裝方案貫穿于鋼管制作、堆存、運(yùn)輸、安裝的全過程，首先按照鋼管安裝的各道環(huán)節(jié)對方案進(jìn)行歸納分類。

1.1 加工廠制作

大型地下電站壓力鋼管工程量較大，為保證生產(chǎn)能力和質(zhì)量，一般都在洞外興建鋼管加工廠，進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，主要包括鋼板切割、卷板、拼裝、焊接、防腐、檢驗(yàn)、堆存等工作內(nèi)容。這一環(huán)節(jié)相對獨(dú)立，而且多為標(biāo)準(zhǔn)化操作，便于生產(chǎn)安排，制作進(jìn)度適當(dāng)超前于現(xiàn)場安裝即可。

此環(huán)節(jié)主要應(yīng)考慮的是根據(jù)運(yùn)輸條件確定出廠件的尺寸和質(zhì)量，即按多大瓦片、單個管節(jié)或多個管節(jié)出廠。例如:彭水水電站以1/4和1/5圓的瓦片出廠，向家壩以半圓出廠，構(gòu)皮灘以單個管節(jié)出廠，大朝山[1]則是將2個管節(jié)組焊后出廠。為減少后續(xù)洞內(nèi)的焊接工作量，宜盡量以大尺寸出廠。

1.2 場內(nèi)運(yùn)輸

鋼管從加工廠運(yùn)到安裝現(xiàn)場，一般采用平板拖車，有的工程還借助纜機(jī)、門塔機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸。運(yùn)輸前應(yīng)查勘沿途道路、橋梁、隧洞，做好大件運(yùn)輸專項措施。

1.3 現(xiàn)場組圓

三峽、溪洛渡、龍灘、錦屏一、二級等水電工程的壓力鋼管在加工廠組圓，省掉了現(xiàn)場組圓環(huán)節(jié)。而二灘、彭水、向家壩、烏東德等很多工程由于運(yùn)輸安裝、土建施工等因素只能在加工廠制成瓦片在施工現(xiàn)場進(jìn)行組圓?，F(xiàn)場組圓 （洞外組圓歸入加工廠組圓）主要有上 （下）平段組圓和主廠房組圓兩種方式。

上 （下）平段組圓。將上 （下）平段及其施工支洞局部擴(kuò)挖，布置組圓工位和運(yùn)輸通道，設(shè)置天錨、地錨、軌道和卷揚(yáng)機(jī)用于鋼管吊運(yùn)、翻身和就位。其優(yōu)點(diǎn)是將鋼管安裝在引水系統(tǒng)內(nèi)部，不與其他部位施工產(chǎn)生干擾。缺點(diǎn)是隧洞擴(kuò)挖和回填量較大，洞室空間較小，通風(fēng)排煙困難，作業(yè)環(huán)境差，吊裝條件較差，組裝速度較慢。烏江彭水水電站將1、2號下平段擴(kuò)挖布置成組圓平臺，并將部分支洞擴(kuò)高，運(yùn)送3～5號下平段的管節(jié)[2]，見圖1。

圖1 彭水水電站下平段組圓平臺

主廠房組圓。主廠房空間開闊，便于布置組圓工位和堆放場地，廠房橋機(jī)可作為吊裝設(shè)備，良好的作業(yè)環(huán)境有利于焊接質(zhì)量，但主廠房組圓與混凝土澆筑、機(jī)電埋件安裝在場地和橋機(jī)使用上有所沖突，土建、金結(jié)專業(yè)的施工特點(diǎn)也將彼此干擾。因此該組圓方式對主廠房施工影響較大。二灘、向家壩等水電工程均在主廠房組圓。

組圓的傳統(tǒng)方式均為平面組圓，即將管節(jié)軸線垂直于地面擺放拼裝，然后翻身、吊裝。近年來研制成功的新型組圓臺車采用立面組圓，其實(shí)質(zhì)是一個大型立式回轉(zhuǎn)平臺，配備專用的內(nèi)外支撐、裝夾工具、低速超大扭矩旋轉(zhuǎn)設(shè)備、多臺自動焊機(jī)和傳感數(shù)控裝置，具有瓦片組對、縱縫自動焊接、自動調(diào)圓、加勁環(huán)組對和焊接等性能；臺車還可進(jìn)一步升級具備行走功能，鋼管組圓后直接運(yùn)送到安裝位置。新型組圓臺車提高了自動化水平，減小人力勞動強(qiáng)度，效率高，速度快；大部分焊縫采用自動埋弧焊，無弧光、煙塵小；臺車外形尺寸緊湊，而且鋼管立面擺放，若用于洞內(nèi)組圓，擴(kuò)挖和回填量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的平組方式。但其缺點(diǎn)也較明顯:臺車造價較高，通用性不強(qiáng)；臺車一旦發(fā)生故障，對施工影響較大。

1.4 就位安裝

1.4.1 運(yùn)輸通道

鋼管組圓后主要有3種方式運(yùn)至安裝位置。

（1）上平段進(jìn)口送入。進(jìn)水口引水渠場地開闊，一般裝有門塔機(jī)用于進(jìn)水塔施工。鋼管運(yùn)到進(jìn)水口后，利用門塔機(jī)卸車、翻身，并吊放到上平段進(jìn)口，牽引進(jìn)洞。龍灘上平段鋼管采用此法。

（2）引水洞施工支洞送入。引水洞一般都會布置施工支洞作為通道，支洞擴(kuò)挖后可運(yùn)輸鋼管，例如錦屏二級水電站壓力鋼管從上、下施工支洞同時運(yùn)輸鋼管[3]。需要注意的是，超大鋼管從引水洞上部經(jīng)彎段和斜 （豎）井溜放到下部的過程，具有較大的安全風(fēng)險和施工難度，須采取穩(wěn)妥的施工措施。三峽地下電站上彎段以下設(shè)置鋼管，最大管徑13.5 m，管徑與管節(jié)軸線長度比值達(dá)13.5/2，最大溜放單元質(zhì)量達(dá) 70 t，溜放傾角呈 0°～60°～0°變化；在洞內(nèi)布置由天錨、卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組、滑軌、承載臺車等設(shè)施組成的起重系統(tǒng)，鋼管溜放取得成功。

（3）下平段末端送入。沿主廠房上游邊墻搭設(shè)接料平臺，利用主廠房橋機(jī)將管節(jié)吊放到接料平臺上，牽引進(jìn)洞。二灘、向家壩采用此法。

以上運(yùn)輸方式也經(jīng)常結(jié)合使用，例如溪洛渡左岸電站，鋼管末節(jié)從下平段末端送入，其余管節(jié)通過下平段支洞運(yùn)輸，方式 （1）、（3）分別對進(jìn)水塔和主廠房施工有一定干擾。壓力鋼管管徑一般都是上游段大，下游段小，因此方式 （3）需擴(kuò)挖尾部洞段滿足鋼管運(yùn)輸，此外接料平臺也需投入一定成本。方式 （2）為鋼管安裝開辟獨(dú)立的工作面，不影響其他部位施工，而且可從支洞上、下游兩個方向同時運(yùn)輸安裝，特別適合壓力鋼管長、安裝工期緊的情況；但其缺點(diǎn)是支洞擴(kuò)挖和回填加大了施工成本，而且支洞與引水洞是串聯(lián)布置，各條引水洞難以同步施工；支洞與引水洞交叉處通常需設(shè)湊合節(jié)。

1.4.2 安裝 （回填）順序

各條引水洞的安裝順序若采用方式 （2）運(yùn)輸鋼管，一般從支洞最里端的引水洞開始，依次后退進(jìn)行各條引水洞鋼管安裝，并從里至外封堵支洞。為加快進(jìn)度，也可多條引水洞一組同步施工，但存在一定干擾。若采用方式 （1）、（3）運(yùn)輸鋼管，各條引水洞獨(dú)立進(jìn)行鋼管安裝，生產(chǎn)組織較為方便。

對于單條引水洞管節(jié)的安裝順序，較為方便的是從運(yùn)輸通道的遠(yuǎn)端往近端后退安裝，一次運(yùn)輸就位，大多數(shù)工程均是如此。向家壩水電站與此相反，管節(jié)從下平段末端往上游方向送入后，考慮到鋼管末端與蝸殼相接，對形位尺寸要求高，故將其作為定位節(jié)，所有管節(jié)先送入下平段堆存，再以末節(jié)為起點(diǎn)，從下游側(cè)往上游側(cè)逐節(jié)就位安裝，多出一道管節(jié)運(yùn)輸就位的工序。

對于彎段、斜 （豎）井段鋼管的安裝，一般都是自下而上分段進(jìn)行。二灘水電站下彎段和下平段布置壓力鋼管，下彎段采用了較為特殊的倒裝法[4]，如圖2所示。管節(jié)從下平段末端送入，首先用臺車和液壓推進(jìn)器將管節(jié)A運(yùn)至下彎段起始點(diǎn)，并用錨固裝置臨時固定；再將管節(jié)A向上游推進(jìn)一個管節(jié)的距離,采用沿軌道布設(shè)的卡阻器固定后,撤回臺車和推進(jìn)器，將管節(jié)B運(yùn)送到位，與管節(jié)A拼裝；再將管節(jié)A+B往上游推進(jìn)一個管節(jié)的距離并固定，將管節(jié)C運(yùn)送到位拼裝，剩余管節(jié)同理進(jìn)行。倒裝法避免了從上彎段下放管節(jié)占壓上部工作面，可上下同時施工。但若豎 （斜）井也有鋼管，所需頂推力和錨固力勢必增大，使此法難以實(shí)施。

圖2 二灘下彎段鋼管倒裝法示意

2 綜合方案選定

地下電站施工是多專業(yè)穿插進(jìn)行的系統(tǒng)工程，壓力鋼管安裝應(yīng)服從工程總體安排。前文單從鋼管安裝的各大環(huán)節(jié)論述了不同方案及適用條件，但前后環(huán)節(jié)之間相互影響、環(huán)環(huán)相扣，應(yīng)將各個環(huán)節(jié)有機(jī)整合、通盤考慮，從鋼管安裝所處邊界條件，及其對周邊的影響兩個方面，綜合研究工程各方面因素，才能確定最優(yōu)方案。表1列舉了具有代表性的安裝方案工程實(shí)例[4]。

3 工程實(shí)例

金沙江向家壩水電站總裝機(jī)容量640萬kW，其中右岸地下廠房安裝4臺單機(jī)容量80萬kW的機(jī)組，引水洞的下平段和少部分下彎段設(shè)置壓力鋼管，最大管徑14.4 m，為目前世界之最，施工難度較大。

投標(biāo)方案中，壓力鋼管從引水洞進(jìn)口運(yùn)入，利用布置在引水渠的門塔機(jī)進(jìn)行組圓和翻身，吊運(yùn)到上平段洞口，卷揚(yáng)機(jī)牽引滑軌車將管節(jié)自上平（彎）段、經(jīng)斜井運(yùn)至下平 （彎）段，調(diào)整就位后進(jìn)行安裝。

實(shí)施階段對安裝方案進(jìn)行了優(yōu)化，加工廠內(nèi)制作半圓，在主廠房布置平臺平面組圓，利用主廠房50 t施工橋機(jī)翻身，吊運(yùn)到下平段末端的接料平臺上，再用卷揚(yáng)機(jī)水平牽引到下平段內(nèi)堆存，最后逐節(jié)就位安裝。主廠房組圓是該方案最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，必須具備以下條件:①主廠房開挖結(jié)束，組圓平臺形成；②引水洞斜井開挖完成，鋼管堆存和安裝不受影響；③主廠房橋機(jī)具備運(yùn)行條件。同時鋼管安裝不得過多地影響主廠房工期，因?yàn)閱螐闹鲝S房施工來講，開挖完成后便可進(jìn)行肘管、錐管等機(jī)組埋件的安裝和混凝土澆筑，需占用主廠房大量場地，并頻繁使用橋機(jī)，這與鋼管組圓干擾較大，而主廠房正是向家壩首批機(jī)組投產(chǎn)的關(guān)鍵線路，所以應(yīng)在主廠房后續(xù)工作最晚開工時間之前，消除壓力鋼管安裝對主廠房的干擾。

基于以上要求分析工期，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，單個管節(jié)在主廠房組圓占用6天直線工期，4條鋼管共分88節(jié)，若在主廠房布置3個平臺同時組圓，則工期為6個月，可滿足2009年6月～2009年底的工期要求，因此主廠房組圓方案是可行的。向家壩主廠房場地寬闊，可在安裝間和機(jī)組之間的隔墩上布置5個組圓平臺。按上述分析，即使所有管節(jié)送入下平段后，再啟動機(jī)組埋件安裝，3個組圓平臺即可滿足工期要求，穩(wěn)妥起見，實(shí)際布置了5個平臺，加之機(jī)組埋件安裝與壓力鋼管安裝為同一施工單位，便于場地和橋機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，因此，在鋼管安裝的同時進(jìn)行肘管、錐管的安裝，進(jìn)一步節(jié)省了主廠房直線工期。

表1 各大地下電站壓力鋼管安裝方案

方案優(yōu)化后優(yōu)勢明顯[5]，實(shí)際施工過程也非常順利，電站已于2012年11月投產(chǎn)發(fā)電。對比原方案，主廠房組圓方案對主廠房的影響在可接受范圍，工期有保障；投標(biāo)方案在斜井和上、下彎段溜放時的安全風(fēng)險和施工難度很大，尚無φ14 m以上鋼管溜放的先例，而實(shí)施方案避開了這一難題；投標(biāo)方案在引水渠露天組圓，氣象因素對焊接質(zhì)量影響較大，在主廠房組圓基本等同于加工廠作業(yè)環(huán)境，有利于焊接質(zhì)量；方案調(diào)整后節(jié)省投資200余萬元。

4 結(jié)論及建議

（1）壓力鋼管各種安裝方案有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，要充分考慮各道環(huán)節(jié)的制約因素和前后環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，綜合研究工程各方面因素，使方案總體最優(yōu)。

（2）不論采用何種方案，宜提前研究運(yùn)輸通道和組圓場地，盡量在洞室開挖期間一次開挖到位，避免二次擴(kuò)挖。

（3）應(yīng)將鋼管安裝方案與相關(guān)部位土建施工方案統(tǒng)籌考慮，起吊設(shè)備、配套設(shè)施能夠金結(jié)與土建兼顧，使投資最省，施工更為方便。例如，鋼管從進(jìn)水口送入的方案，門塔機(jī)兼用于鋼管吊運(yùn)和進(jìn)水塔混凝土澆筑；斜井溜放鋼管所需的天錨、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)施，還可兼用于斜井襯砌澆筑。

［1］劉毓書.大朝山水電站引水壓力鋼管的安裝［J］.水電站機(jī)電技術(shù).2005，28（4）:131.

［2］趙云德.等.彭水水電站14 m直徑壓力鋼管制造安裝［J］.四川水力發(fā)電.2008，27（6）:17.

［3］李東.錦屏二級水電站豎井段壓力鋼管的安裝方法［J］.四川水力發(fā)電.2012，31（2）:67.

［4］鄧亞軍.二灘水電站壓力鋼管施工 ［J］.水電站機(jī)電技術(shù).2001，（1）:56-57.

［5］孫文，等.向家壩水電站超大直徑引水隧洞壓力鋼管制作與安裝［J］.水電站機(jī)電技術(shù).2011，34（4）:41-42.