烏東德水電站φ 13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐施工技術(shù)

劉 科，彭智祥，宛良朋，彭 鵬

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610042；2.成都阿朗科技有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

金沙江烏東德水電站工程左岸廠房壓力鋼管為φ13.5 m超大直徑的洞內(nèi)埋設(shè)引水鋼管，分布在6條隧洞內(nèi)，總工程量6 600 t。地下引水發(fā)電系統(tǒng)鋼管的最大設(shè)計(jì)水頭約200 m(含水錘升壓)，布置在隧洞下平段，位于帷幕下游至機(jī)組蝸殼之間，按管節(jié)長3 m制造安裝，其最大管節(jié)單元尺寸為3×φ14.32 m，重量約71 t，參見表1。根據(jù)工程需要，采取了洞內(nèi)組圓臺(tái)車組焊鋼管的先進(jìn)工藝。

表1 金沙江烏東德電站左岸引水壓力鋼管工程參數(shù)表

1 國內(nèi)近年類似的工程經(jīng)驗(yàn)

壓力鋼管制造安裝內(nèi)支撐是一般要求，最早見于鋼管施工規(guī)范，后在鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范中有相應(yīng)的要求，其目的為解決運(yùn)輸變形和混凝土施工期間的剛性不足。隨著水電工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，自新疆恰甫其海電站等工程開始，在工程中逐步摸索取消內(nèi)支撐的方法。以恰甫其海水電站的壓力鋼管內(nèi)徑為9.5 m為例，制造階段采用試驗(yàn)的方式檢驗(yàn)了水平放置與垂直放置狀態(tài)管徑變化量，并用預(yù)變形的方式控制安裝直徑偏差，獲得了預(yù)期的效果。后期在較多的工程項(xiàng)目中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。然而，在國內(nèi)水電工程行業(yè)中，由于對鋼管施工是否必須采取內(nèi)支撐缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致近10年來，一部分大直徑的鋼管工程進(jìn)行了內(nèi)支撐優(yōu)化或取消，另一部分則堅(jiān)持按照設(shè)計(jì)規(guī)范中要求采用，甚至在很多較小直徑的鋼管中保持安裝內(nèi)支撐的工藝(見表2)。2012年，自梨園電站開始，中國水電建設(shè)行業(yè)逐步探索形成了在現(xiàn)場進(jìn)行自動(dòng)化組圓焊接鋼管的新工藝(見表2)，在黃金坪等項(xiàng)目進(jìn)一步應(yīng)用。因能夠在安裝現(xiàn)場將瓦片直接進(jìn)行組圓和焊接，再用軌道運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑢喂?jié)或多節(jié)鋼管進(jìn)行安裝，縮短了生產(chǎn)鏈，與此新工藝相適應(yīng)的顯然是無內(nèi)支撐的施工技術(shù)[1-6]。

表2 中國近年來水電站洞內(nèi)壓力鋼管工程參數(shù)及內(nèi)支撐應(yīng)用狀況統(tǒng)計(jì)表

2 烏東德電站洞內(nèi)φ 13.5 m超大型壓力鋼管無支撐施工的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 可行性研究與計(jì)算分析

在利用已有無鋼管安裝支撐工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深化研究，以解決整個(gè)施工階段的鋼管剛度為核心，利用現(xiàn)代仿真技術(shù)進(jìn)行計(jì)算和仿真，再用于指導(dǎo)施工。

1)鋼管組圓階段。根據(jù)烏東德直徑φ13.5 m鋼管現(xiàn)場組焊工藝，采用超大型鋼管組圓臺(tái)車將瓦片夾持在頂梁上之后，進(jìn)行組對和縱縫焊接，其內(nèi)部支撐依靠2×12個(gè)均勻分布的φ280 mm厚壁鋼管做為主要支撐體系，確保制造過程符合設(shè)計(jì)規(guī)范和制造安裝規(guī)范要求。鋼管組圓階段仿真計(jì)算成果如圖1所示。

2)鋼管運(yùn)輸階段。組焊完成后，鋼管脫離組圓臺(tái)車，由多功能滾焊臺(tái)車上4個(gè)均勻分布的滾輪支承。計(jì)算分析表明，運(yùn)輸階段鋼管的系統(tǒng)剛度主要依靠其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，與加勁環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系密切。受自重影響，鋼管頂部必然出現(xiàn)一定的下垂量，但屬于鋼材正常的彈性范圍且應(yīng)力值小。值得注意的是，與傳統(tǒng)的鋼管組焊工藝不同的是，洞內(nèi)組焊工藝沒有翻轉(zhuǎn)鋼管的要求，也不會(huì)發(fā)生吊裝產(chǎn)生局部塑形變形的風(fēng)險(xiǎn)。鋼管運(yùn)輸階段仿真計(jì)算成果如圖2所示。

圖1 鋼管組圓階段變形圖

圖2 鋼管運(yùn)輸階段變形圖

3)鋼管安裝階段。這個(gè)過程最主要的工作是消除鋼管頂部的下垂量，并使后期施工保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，圖3為直徑φ13.5 m鋼管管頂?shù)撞捎?50 kN頂升力調(diào)圓后的變形圖。按照規(guī)范要求，具體分為兩個(gè)階段實(shí)施，第一是首節(jié)鋼管安裝，洞內(nèi)埋管能夠在外壁或加勁環(huán)與洞壁錨桿之間焊接拉桿，一方面穩(wěn)定鋼管的安裝位置，另一方面使鋼管的整體剛度增加。仿真計(jì)算結(jié)果表明，適當(dāng)條件下，若單節(jié)鋼管外壁上的均分拉桿數(shù)量達(dá)到8個(gè)或以上時(shí)，足以達(dá)到鋼管施工所需的受力要求。第二是后續(xù)鋼管節(jié)安裝，將鋼管依次安裝到位，與前一節(jié)鋼管進(jìn)行組對焊接，逐步對鋼管進(jìn)行加固。

4)鋼管外壁混凝土回填澆筑階段。與鋼管安裝相似，分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一個(gè)是首個(gè)管節(jié)段澆筑，第二個(gè)是后續(xù)的分段澆筑。首個(gè)階段的澆筑以控制鋼管變形為主要目標(biāo)，重點(diǎn)需要研究澆筑工藝對鋼管圓度的影響，根據(jù)施工仿真結(jié)果，決定是否增設(shè)簡易內(nèi)支撐。分析數(shù)據(jù)表明，在使用相同材料條件下，隨著鋼管直徑增加，內(nèi)支撐的剛性作用逐步減弱。后續(xù)澆筑時(shí)，充分利用前一段已經(jīng)澆筑固定鋼管的剛度，只需嚴(yán)格按照設(shè)定的分倉澆筑工藝進(jìn)行，就能夠滿足鋼管施工規(guī)范要求，圖4為后續(xù)鋼管混凝土澆筑完成后的變形，圖5為鋼管外支撐承受最大徑向應(yīng)力——澆筑前鋼管受重力下垂階段。分析數(shù)據(jù)表明，在使用相同結(jié)構(gòu)和工藝條件下，隨著鋼管直徑增加，前一節(jié)鋼管的剛性固定作用相應(yīng)增加。

圖4 直徑φ 13.5 m鋼管澆筑完成變形圖

圖5 直徑φ 13.5 m鋼管外支撐最大徑向應(yīng)力圖(澆筑前受自重下垂)

2.2 鋼管工程實(shí)施過程

根據(jù)上一節(jié)可行性分析結(jié)果，烏東德水電站左岸洞內(nèi)埋藏式壓力鋼管按照下述工序順利完成了無內(nèi)支撐條件下回填混凝土澆筑，取得了非常好的效果。

1)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管組焊。多功能小車先通過提升機(jī)將瓦片從平板運(yùn)輸車上接料后進(jìn)行軌道運(yùn)輸，瓦片及小車穿越設(shè)備橫梁下部之后，在回轉(zhuǎn)內(nèi)支撐的作用下，瓦片與頂梁按照工藝要求進(jìn)行裝夾，3個(gè)瓦片組圓對接并完成檢查尺寸后，采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接縱縫。

2)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管運(yùn)輸。由多功能小車將鋼管從組圓專機(jī)上運(yùn)輸?shù)桨惭b位置，根據(jù)需要進(jìn)行高度或左右方向的微調(diào)。鋼管受4個(gè)液壓裝置形成的支點(diǎn)支承，實(shí)測變形量為25～32 mm，與計(jì)算結(jié)論基本吻合。

3)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管安裝。用型鋼將鋼管外壁與錨桿進(jìn)行焊接，確保安裝位置和尺寸符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。在鋼管內(nèi)部安裝了臨時(shí)作業(yè)支架，包括調(diào)圓支架、焊接平臺(tái)等，底部設(shè)置了行走輪，便于調(diào)圓、對縫和焊接作業(yè)。

4)洞內(nèi)直徑φ13.5 m鋼管混凝土回填。第一階段澆筑長度為6 m，將鋼管下游端部用單排內(nèi)支撐進(jìn)行了加固，經(jīng)過生產(chǎn)性試驗(yàn)和實(shí)際觀測，鋼管在澆筑期間的變形小于3 mm，完全符合預(yù)期要求。后續(xù)澆筑長度為9 m，無內(nèi)支撐，通過澆筑工藝過程控制，工程質(zhì)量符合規(guī)范要求。

以此類推，烏東德左岸的每條壓力鋼管均按照上述工序安裝完成后，分段進(jìn)行了鋼管外壁的混凝土澆筑，與原設(shè)計(jì)工藝不同的是，烏東德超大型鋼管取消了固定內(nèi)支撐或活動(dòng)內(nèi)支撐。這項(xiàng)建立在嚴(yán)格的仿真計(jì)算和施工工藝過程控制基礎(chǔ)上的優(yōu)化措施，取得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 鋼管無內(nèi)支撐施工的技術(shù)特點(diǎn)

從上述烏東德電站直徑φ13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐技術(shù)實(shí)施過程，可總結(jié)出以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)：

1)鋼管及加勁環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度較大，滿足水平自由狀態(tài)下彈性變形小的要求；

2)先進(jìn)且專業(yè)化的施工裝備替代了傳統(tǒng)的鋼平臺(tái)鋼管組圓焊接技術(shù)，用機(jī)械自動(dòng)化可調(diào)式的內(nèi)支撐滿足了鋼管制造階段的剛度需要；

3)鋼管運(yùn)輸設(shè)備的支撐點(diǎn)布置，有效控制了鋼管在無支撐狀態(tài)下的變形量；

4)從鋼管安裝開始，通過鋼管外壁拉桿和回調(diào)混凝土結(jié)構(gòu)，逐步提高了鋼管的整體剛度，僅在首節(jié)鋼管的管口設(shè)置了單排輔助內(nèi)支撐，能夠滿足鋼管在安裝、回填外圍混凝土的剛性要求。

烏東德超大型鋼管無內(nèi)支撐與傳統(tǒng)的有內(nèi)支撐施工技術(shù)的比較見表3。

表3 烏東德超大型鋼管無內(nèi)支撐與傳統(tǒng)的有內(nèi)支撐施工技術(shù)比較表

3 結(jié) 語

1)烏東德水電站直徑φ13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐技術(shù)滿足了工程施工要求，創(chuàng)造了工程技術(shù)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2)通過對烏東德鋼管施工過程整體剛度的分析研究和建立仿真計(jì)算模型，取得了充足的理論依據(jù)，提出了在超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐條件下，提高鋼管剛度的有效途徑，并形成了施工的指導(dǎo)性原則。

3)烏東德電站直徑φ13.5 m洞內(nèi)超大型壓力鋼管無內(nèi)支撐技術(shù)具有代表性和推廣價(jià)值，建議水利水電行業(yè)統(tǒng)一對鋼管內(nèi)支撐的認(rèn)識(shí)，根據(jù)各工程具體情況，取消或簡化洞內(nèi)鋼管內(nèi)支撐及相關(guān)的技術(shù)要求，并研究壩后背管中鋼管內(nèi)支撐優(yōu)化或取消的可行性。