超長(zhǎng)豎井壓力鋼管安裝技術(shù)研究

趙根昌

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川 眉山 620860)

1 工程概況

尼泊爾那蘇瓦卡里水電站位于中國(guó)(西藏)和尼泊爾邊界河流Kerungkhola和Lendekhola匯流處順流而下約400m處，緊臨西藏邊境吉隆口岸，地處加德滿都西北向146km的那蘇瓦區(qū)，電站取水口海拔約1800m。電站設(shè)1條4.2km引水隧洞，之后從調(diào)壓井至地下廠房設(shè)壓力鋼管，其中90°豎井高139m。下平段鋼管經(jīng)2個(gè)“卜”形岔管變徑后供水給3臺(tái)機(jī)組，主鋼管內(nèi)徑4.8m ，3條壓力支管內(nèi)徑2.0m，鋼管軸線總長(zhǎng)度312m，總重量900t，除兩個(gè)岔管材質(zhì)為07MnMoVR級(jí)高強(qiáng)鋼外，其余鋼管材質(zhì)均為Q345R低合金鋼。鋼管平面視圖和側(cè)面視圖見(jiàn)圖1。

2 超長(zhǎng)豎井壓力鋼管安裝難點(diǎn)分析

a.傳統(tǒng)滿堂腳手架施工工藝受地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響，采購(gòu)、運(yùn)輸成本極大。由于尼泊爾市場(chǎng)資源極度匱乏，搭設(shè)腳手架所用架管不易采購(gòu)。若從國(guó)內(nèi)采購(gòu)，進(jìn)口關(guān)稅高達(dá)28%～35%，施工成本投入大。

圖1 壓力鋼管布置示意 (單位:m)

b.由于鋼管豎井頂部不進(jìn)行擴(kuò)挖，橋機(jī)+載人系統(tǒng)配合的豎井段壓力鋼管安裝工藝不能順利實(shí)施。

3 擬采取的措施

a.用施工平臺(tái)和載人吊籠組合應(yīng)用替代傳統(tǒng)滿堂腳手架的施工方法，使用豎井頂部單吊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)壓力鋼管和施工平臺(tái)的分時(shí)吊運(yùn)，達(dá)到節(jié)約工期和節(jié)省成本的目的。

b.載人吊籠以施工平臺(tái)為依托，控制方式上采用遙控操作，解決了施工人員上下和超長(zhǎng)豎井內(nèi)起重吊裝指揮信號(hào)誤傳、誤報(bào)的難題。不需要專(zhuān)人操作卷?yè)P(yáng)機(jī)，節(jié)約了人力資源投入，同時(shí)降低了施工強(qiáng)度和安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

c.運(yùn)用上述多用途設(shè)備組合，形成多設(shè)備組合的壓力鋼管調(diào)整、焊接、NDT檢測(cè)和防腐全局互相獨(dú)立、連續(xù)安裝的配套設(shè)備和工藝方法，并應(yīng)用于實(shí)際工程，在不停止作業(yè)的情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)安裝，有效實(shí)現(xiàn)程式化的施工模式，提高生產(chǎn)效率。

4 豎井段壓力鋼管安裝

4.1 豎井段施工平臺(tái)+吊籠載人系統(tǒng)設(shè)備研制

研發(fā)了一種施工平臺(tái)、載人吊籠系統(tǒng)組合設(shè)備，施工平臺(tái)分為對(duì)裝層、焊接層和探傷防腐層三層，每層使用3mm花紋鋼板隔離，層間由爬梯相通，各工種工序互不干擾。平臺(tái)中部設(shè)置載人吊籠通道和安全欄桿。吊籠依托施工平臺(tái)頂部的天輪導(dǎo)向，在施工平臺(tái)和下彎段鋼管登陸平臺(tái)之間運(yùn)行，可在施工平臺(tái)提升時(shí)將吊籠下放到登陸平臺(tái)，與施工平臺(tái)脫離，減輕施工平臺(tái)提升重量。該組合結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

a.豎井內(nèi)施工平臺(tái)分為三層，分別為對(duì)裝層、焊接層和探傷防腐層，將焊機(jī)、空壓機(jī)布置在平臺(tái)的第二層，并用型材焊框架固定牢固。在作業(yè)平臺(tái)第二、第四層各安裝4個(gè)導(dǎo)向橡膠滾輪，防止平臺(tái)晃動(dòng)，碰傷鋼管內(nèi)部涂層；在上層平臺(tái)四角焊接4個(gè)吊耳，用4組吊具將施工平臺(tái)懸掛于已安裝鋼管管口之上(管口處在鋼管制作時(shí)已焊接4個(gè)吊耳)。上節(jié)鋼管吊裝并調(diào)整合格后，將施工平臺(tái)提升到新的工作位置懸掛，并使用掛卡將平臺(tái)掛在上節(jié)管口作為后備保護(hù)，進(jìn)行下一步循環(huán)。為防止掉物，在施工平臺(tái)各層骨架上鋪花紋板封閉，層間設(shè)爬梯，每層爬梯頂部設(shè)安全艙蓋。施工人員上下和小型材料傳遞由施工吊籠實(shí)現(xiàn)。施工吊籠采用遙控器操作，頂部設(shè)上限位開(kāi)關(guān)、沖頂保護(hù)開(kāi)關(guān)。吊籠頂部鋼絲繩上設(shè)荷重保護(hù)裝置，下彎段登陸平臺(tái)位置設(shè)下限位開(kāi)關(guān)作為松繩保護(hù)，吊籠罐簾門(mén)設(shè)置門(mén)開(kāi)關(guān)互鎖控制回路。

圖2 施工平臺(tái)+吊籠組合設(shè)備

b.施工電源布置：豎井段施工用電和照明取自供電接口，在主洞洞壁上布置一面配電柜，為卷?yè)P(yáng)機(jī)和通道照明提供電源。在施工平臺(tái)上布置安全低壓照明，同時(shí)在施工平臺(tái)下層設(shè)置兩盞射燈，照射方向向下，照明電源取自施工平臺(tái)所設(shè)配電盤(pán)。另在上、下彎段位置各設(shè)置一盞射燈。

c.施工平臺(tái)動(dòng)力電源設(shè)置：主電源取自下平段供電接口，鋼管安裝施工平臺(tái)中間層布置一面配電盤(pán)，由一根銅芯阻燃軟電纜提供電源，平臺(tái)上所有施工、照明用電均取自盤(pán)上電源。配電盤(pán)內(nèi)所有回路均設(shè)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)。

d.施工吊籠的防墜繩固定在下彎管的適當(dāng)位置，由2臺(tái)5t手拉葫蘆張緊，吊籠的上下運(yùn)行通過(guò)布置在下平段的3t卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)。

e.下彎段左、右洞壁打5組插筋用于臨時(shí)懸掛鋼管。下彎段鋼管自重9.79t，最上一節(jié)的懸掛角度最大，其下滑力為65.5kN，采用2根φ18.5的1770MPa級(jí)鋼絲繩懸掛，其破斷拉力為219kN，安全系數(shù)為2×219/65.5=6.7>6，滿足要求。受力分析見(jiàn)圖3。

f.由于施工平臺(tái)各層相互隔離，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)吊裝和避免施工干擾。每層周?chē)O(shè)置高200mm的踢腳擋板。

g.鋼管豎井內(nèi)無(wú)滲水點(diǎn)，但需要在上彎段合適位置設(shè)置擋水坎，保證干地施工條件。

圖3 鋼管懸掛受力分析

4.2 起吊系統(tǒng)布置

a.在上平段P0+33.00附近位置順?biāo)饔覀?cè)布置一臺(tái)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)用作壓力鋼管在豎井內(nèi)吊裝和提升施工平臺(tái)，在鋼管交通洞內(nèi)布置一臺(tái)5t卷?yè)P(yáng)機(jī)用于鋼管卸車(chē)、翻身和牽引鋼管運(yùn)輸臺(tái)車(chē)，上平段鋪設(shè)運(yùn)輸軌道，跨距5700mm和3100mm。

b.豎井頂部布置20t天錨1號(hào)，上平段交通洞與隧洞軸線交叉位置上方布置20t天錨2號(hào)；隧洞壁上合適位置打插筋作為導(dǎo)向；在豎井貫通后，正式吊運(yùn)鋼管之前，按照最重管節(jié)13.55t的1.5倍即20.3t做天錨負(fù)荷試驗(yàn)，合格后方能使用。

c.下平段鋼管施工洞與鋼管隧洞軸線交叉位置上方布置20t天錨用于鋼管卸車(chē)；在壓力鋼管下平段施工洞布置一臺(tái)5t卷?yè)P(yáng)機(jī)用于鋼管卸車(chē)、翻身和臺(tái)車(chē)牽引。在1號(hào)岔管上游下平段適當(dāng)位置布置1臺(tái)3t卷?yè)P(yáng)機(jī)，用于施工吊籠上下的牽引。

d.受隧洞斷面尺寸限制，1號(hào)岔管采用洞內(nèi)組裝。在1號(hào)岔管上方布置1個(gè)20t天錨和2個(gè)10t天錨用于該岔管洞內(nèi)組裝，2號(hào)岔管上方布置1個(gè)20t天錨用于該岔管整體吊裝。鋼管起吊系統(tǒng)布置見(jiàn)圖4。

圖4 起吊系統(tǒng)布置示意

4.3 豎井段壓力鋼管運(yùn)輸

洞內(nèi)運(yùn)輸由卷?yè)P(yáng)機(jī)、天錨、地錨、導(dǎo)向滑輪組、運(yùn)輸臺(tái)車(chē)及運(yùn)輸軌道組成。上平段布置5t、10t卷?yè)P(yáng)機(jī)各一臺(tái)，其中5t卷?yè)P(yáng)機(jī)用于鋼管卸車(chē)、翻身和運(yùn)輸臺(tái)車(chē)牽引，10t卷?yè)P(yáng)機(jī)主要用于豎井鋼管的吊裝和施工平臺(tái)的提升。下平段布置一臺(tái)5t卷?yè)P(yáng)機(jī)用于鋼管卸車(chē)、翻身及運(yùn)輸臺(tái)車(chē)牽引。運(yùn)輸軌道采用22kg級(jí)輕軌。下平段布置一臺(tái)3t卷?yè)P(yáng)機(jī)用于吊籠載人系統(tǒng)升降。

4.3.1 豎井段壓力鋼管運(yùn)輸路線

豎井段壓力鋼管運(yùn)輸路線為：鋼管制造廠→左岸國(guó)道→清關(guān)檢查站→2號(hào)貝雷橋→右岸施工道路→3號(hào)施工道路→鋼管交通洞→上平段→豎井運(yùn)輸。

4.3.2 鋼管上平段運(yùn)輸軌道布置

上平段運(yùn)輸軌道兩軌中心距分為3100mm和5700mm，采用φ16螺紋鋼作插筋，深度大于300mm，間隔1000mm一組，用角鋼作為軌道墊板，以水準(zhǔn)儀測(cè)量調(diào)整后將角鋼墊板焊在插筋上，再在墊板上安裝軌道。

4.3.3 壓力鋼管運(yùn)輸

不同管徑鋼管在公路、橋梁和洞內(nèi)運(yùn)輸根據(jù)以下原則：

a.公路運(yùn)輸時(shí)，鋼管直徑大于4m的鋼管軸線垂直于地面立運(yùn)，直徑小于等于4m的平運(yùn)。

b.鋼管運(yùn)輸通過(guò)貝雷橋，橋面寬度4.4m，需要在過(guò)橋前將鋼管用支墩墊高放置于平板拖車(chē)上，過(guò)橋后去掉支墩降低鋼管重心運(yùn)輸。

c.立運(yùn)的水平段鋼管在地下隧洞內(nèi)需要翻身，豎井段的鋼管立運(yùn)到位并卸車(chē)后可以直接運(yùn)輸、安裝。

4.4 鋼管安裝

4.4.1 鋼管安裝工藝流程

鋼管安裝工藝流程見(jiàn)圖5。

圖5 鋼管安裝工藝流程

4.4.2 豎井段鋼管安裝

將下彎段壓力鋼管第95～97節(jié)作為定位節(jié)。定位節(jié)安裝調(diào)整合格后，使用型鋼加固，交面進(jìn)行澆筑混凝土，并監(jiān)控在澆筑過(guò)程中鋼管位置變化，及時(shí)調(diào)整入倉(cāng)強(qiáng)度。之后向上游進(jìn)行順序安裝，安裝順序見(jiàn)圖6。

圖6 壓力鋼管安裝順序示意

4.4.3 豎井段壓力鋼管管節(jié)的對(duì)裝及吊運(yùn)

a.鋼管吊放到位后，用手拉葫蘆、壓縫器、拉緊器等工具對(duì)鋼管進(jìn)行壓縫對(duì)裝、調(diào)整，直至合格，環(huán)縫采用厚18mm拉板固定。對(duì)裝完成經(jīng)自檢合格后在鋼管外壁用型材進(jìn)行加固。如有需貼焊接背板的焊縫則將背板貼緊點(diǎn)焊到鋼管外壁上，帶焊接背板的坡口間隙應(yīng)不低于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值，以便于焊條運(yùn)條，保證坡口根部焊透。

b.本工程豎井段和一部分上彎段，采用施工平臺(tái)進(jìn)行鋼管安裝、焊接。為保證豎井段鋼管安裝的安全性，該段鋼管在制作時(shí)，在內(nèi)壁距上管口約150mm處裝焊4個(gè)吊耳。施工平臺(tái)在豎井頂部組裝后吊放進(jìn)入鋼管，用4組吊具及卡扣掛在鋼管上。為防止鋼管焊接時(shí)平臺(tái)接地，平臺(tái)每次提升到安裝工位固定后，首先應(yīng)將電焊機(jī)的接地線與鋼管可靠連接在一起。一節(jié)鋼管施工完成后，用豎井頂部天錨將施工平臺(tái)提升至下一工位，重復(fù)以上工作。為確保安全，需每天對(duì)施工平臺(tái)的掛裝系統(tǒng)及絕緣等進(jìn)行檢查，施工平臺(tái)起吊前先松開(kāi)吊籠的導(dǎo)向防墜繩，確保平臺(tái)上所有與鋼管的連接均已去除，如發(fā)現(xiàn)有不安全因素應(yīng)立即整改。

c.為防止鋼管在下放過(guò)程中鋼管旋轉(zhuǎn)，造成滑輪組連帶鋼絲繩纏繞，在鋼管吊裝平衡梁兩端安裝組合式軸承導(dǎo)向裝置。導(dǎo)向鋼絲繩穿過(guò)軸承內(nèi)環(huán)作為導(dǎo)向，限制平衡梁只能沿鋼絲繩做垂直運(yùn)行，減少鋼管旋轉(zhuǎn)和碰壁引起石塊墜落的打擊風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)尼泊爾那蘇瓦卡里水電站超長(zhǎng)豎井壓力鋼管安裝技術(shù)的研究，在豎井頂部不反向擴(kuò)挖的情況下，研制了一種施工平臺(tái)+載人吊籠的系統(tǒng)組合設(shè)備，并應(yīng)用到該工程中，形成了一種超長(zhǎng)距離豎井段壓力鋼管的連續(xù)安裝方法，實(shí)現(xiàn)了豎井段壓力鋼管的機(jī)械運(yùn)輸、連續(xù)作業(yè)，規(guī)避了常規(guī)滿堂腳手架搭設(shè)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，并降低了施工投入，可為同類(lèi)型鋼管安裝提供經(jīng)驗(yàn)。