超大直徑壓力鋼管隧洞內安裝施工技術研究與應用

姜德華

中國葛洲壩集團國際工程有限公司 北京 100025

1 研究背景

1.1 依托項目情況

巖灘水電站擴建工程布置5#、6#共2條引水隧洞，隧洞分為漸變段—斜井段—下平段，其中壓力鋼管襯砌段位于下平段。壓力鋼管φ12.8 m，壁厚30、36 mm，鋼管材質為Q345C，鋼管總質量為713 t，中心線總長43.4 m，分為彎管段、直管段及錐管段，彎管段及直管段內徑為11.1 m，錐管段鋼管內徑由11.1 m漸變為10.6 m。

1.2 研究的必要性

巖灘擴建工程引水隧洞壓力鋼管管節直徑達12.8 m，現場道路最寬位置僅為6 m，施工道路崎嶇、上下起伏，同時由于擴建項目施工受廠界、工期的限制，需要解決壓力鋼管避開斜井運輸至下平段安裝的問題。

本項目通過對壓力鋼管分瓣運輸安裝技術、斜拉倒裝技術、整體湊合不修邊技術的研究，解決超大直徑壓力鋼管洞內外運輸及洞內安裝困難的問題，優化施工布置，減少二次轉運及吊裝，控制成本要素的消耗，確保公司經營目標的實現[1-2]。

2 研究項目的思路

1）通過運用壓力鋼管洞內分瓣安裝技術，能有效解決超大直徑壓力鋼管洞內安裝不宜布置道路及洞內運輸的問題，節約了壓力鋼管制作廠臨建設施費用，規避了壓力鋼管二次轉運及吊裝，節約了成本。

2）運用壓力鋼管斜拉倒拼裝的方法，利用弧形軌道型鋼支架作為壓力鋼管和臺車的運輸軌道，通過下彎段上部設計的支撐鋼梁上的卷揚機對壓力鋼管進行傾斜拉、拽，使壓力鋼管沿著型鋼軌道從下往上位移（倒置位置），實現對各節壓力鋼管上、下管口的壓縫、調圓。

3）通過萬向輪式臺車對壓力鋼管進行整節移位湊合節安裝以達到整條壓力鋼管閉合，能夠實現超大直徑壓力鋼管洞內進行瓦片吊運、組圓、拼裝、焊接、矯正、運輸、安裝的一體化施工[3-5]。

3 研究的主要內容

3.1 壓力鋼管洞內分瓣組圓施工技術

1）壓力鋼管運輸及拼裝附屬設施設計。在施工支洞與壓力鋼管安裝隧洞結合部位頂部進行局部擴挖，垂直軸線方向擴挖范圍為6～8 m，埋設1#、2#、3#天錨（錨桿長均8 m），起吊設計能力為30 t，在施工支洞底板上布置2臺5 t的卷揚機及配套滑輪組，與天錨共同負責壓力鋼管瓦片裝卸與組裝任務。在引水隧洞主洞弧底敷設2條軌道，與其上布置的弧形拼裝臺車，形成壓力管道組裝、運輸平臺。

2）壓力鋼管瓦片組圓。壓力鋼管由3瓣瓦片構成，裝運前單個瓦片需要安裝三角內支并進行防腐處理，由運輸臺車從施工支洞運至拼裝位置，利用天錨、滑輪組及卷揚機，依次將第1瓣瓦片、第2瓣瓦片、第3瓣瓦片運輸到弧形臺車上，完成整體組圓、拼裝及縱縫焊接工作（圖1～圖3）。

3.2 壓力鋼管下彎段安裝“斜拉倒裝技術”的應用

1）下彎段壓力管道安裝輔助設施設計。在下彎段上方架設支撐鋼梁及防護平臺，其上布置1#、2#、3#卷揚機（10 t），作為壓力鋼管定位、安裝起吊裝置；沿壓力鋼管下彎段軸線兩側鋪設弧形軌道，采用預先埋設在已澆混凝土中的型鋼進行支撐，形成壓力鋼管安裝軌道；在下彎段中心布置地錨及導向滑輪、下平段起始部位布置卷揚機，共同控制壓力鋼管管節安裝的方向調整。

圖1 壓力鋼管立面示意

圖2 壓力鋼管洞內安裝工況示意

圖3 壓力鋼管第1瓣瓦片安裝示意

2）下彎段壓力鋼管首節運輸、安裝及固定。首先將首節壓力鋼管在弧形運輸臺車上，利用組裝部位的天錨對壓力鋼管進行翻身后，利用下平段的導向卷揚機及地錨導向滑輪將壓力鋼管和臺車運輸至下彎段45°位置懸停，然后連接支撐鋼梁上安裝的1#、2#、3#卷揚機與壓力鋼管管節預先設定的吊點，解除地錨與水平段布置卷揚機的牽引裝置，緩慢開啟1#、2#主吊點卷揚機，將壓力鋼管首節緩慢地自下往上滑移，通過控制3#輔助卷揚機將壓力鋼管斜拉、拽至安裝高程，通過錨桿將其定位牢固或澆筑混凝土固定定位節（圖4）。

圖4 斜井下彎段斜拉倒拼裝方法

3）下彎段首節以后管節安裝。通過3#卷揚機、弧形運輸臺車將后續管節運輸至安裝部位，以定位首節壓力管道下管口為基準，與后續管節的下管口進行倒置壓縫、加固，運輸臺車以自重沿軌道返回下平段，如此往復，實現下彎段壓力鋼管倒置拼裝。

4）附屬設施的拆除。下彎段壓力鋼管安裝完成后，支架鋼梁通過豎井或斜井直接吊運至頂部運出，亦可從壓力鋼管內部運出。

3.3 壓力鋼管整節湊合不修割技術的應用

隧洞內壓力鋼管安裝時，經常需要在壓力鋼管安裝位置預留人員、材料及設備等施工通道，保證土建作業的正常施工。采用壓力鋼管整節湊合不修割技術，可以實現此目的。

3.3.1 壓力鋼管運輸軌道安裝

1）以壓力鋼管運輸軌道高程為基礎，鋪設垂直于運輸軌道的2條軌道，軌道間距等于萬向輪式臺車單側中心間距，底部采用角鋼、槽鋼進行可靠焊接，保證交叉軌道懸空受力滿足湊合節與萬向輪式臺車總重要求。

2）軌道鋪設完成后將壓力鋼管臺車放置于軌道上端面，可進行模擬運輸，校驗臺車車輪間距與軌道間距是否滿足配合要求，若發生卡輪等現象要進行修正，然后進行壓力鋼管軌道上的運輸及安裝施工。

3）壓力鋼管運輸作業完成后，可根據現場施工條件將軌道拆除后再循環利用，或者作為壓力鋼管外壁支撐埋入外包混凝土中（圖5）。

3.3.2 萬向輪式臺車的安裝

1）利用壓力鋼管運輸軌道將湊合節運至安裝部位進行卸車，采用4個10 t螺旋千斤頂將壓力鋼管頂升至高于安裝中心200 mm左右，采用鋼管或工字鋼將湊合節臨時支撐。

2）將自制萬向輪式臺車（圖6）安裝于湊合節正下方（萬向輪式臺車寬度不宜比管節寬），然后旋動4個10 t螺旋千斤頂，使湊合節下降，去除鋼管或工字鋼臨時支撐，讓湊合節與萬向輪式臺車平穩接觸。

圖5 運輸軌道結構及布置

圖6 萬向輪式臺車結構

3）調整萬向輪式臺車與湊合節相對于安裝基準軸線的高程，高程誤差控制在5 mm左右，然后采用焊接或其他壓緊裝置將湊合節與臺車固定為整體。

3.3.3 整節湊合拼裝方法

1）湊合節與相鄰管節拼裝。以相鄰調整合格后的壓力鋼管為基準，利用手拉葫蘆、千斤頂等調整湊合節的中心和高程，同時用千斤頂和拉緊器調整相鄰管口的間隙，采用壓碼和楔鐵進行管口壓縫。壓縫工作結束后，利用水準儀、線錘、鋼卷尺等工具重新復核首裝節鋼管中心偏差，然后采用同樣的方法將前、后、湊合節調節成整體。湊合節前后2節鋼管均調整合格后，用型鋼進行管節的加固。

2）利用事先布置好的十字軌道，將臺車和湊合節整體沿著移位軌跡恢復到預先安裝的位置，預留施工通道供土建人、材、機等進入并進行土建施工。

3）待土建施工完畢后，將臺車和湊合節整體通過軌道恢復到安裝位置，再進行壓縫、調圓、焊接，不再對壓力鋼管湊合節進行修割（圖7）。

4 主要創新點

1）采用壓力鋼管洞內分瓣安裝技術，能夠有效解決超大直徑壓力鋼管洞內安裝的道路運輸問題。

2）運用壓力鋼管斜拉倒裝技術，保證了壓力鋼管定位精度和安裝質量，節約了安裝工期。

3）采用壓力鋼管安裝整節湊合不修割技術，為土建施工提供了作業空間，實現了土建與金結施工的合理搭接，縮短了工期，保證施工質量。

圖7 壓力鋼管整節湊合不修割施工

5 結語

1）本項目通過超大直徑壓力鋼管分瓣運輸安裝技術、斜拉倒裝施工技術及整體湊合不修割技術的應用，減少施工人、材、機的投入，降低施工成本94萬元；縮短了工期，節約節點目標工期2個月；提高了壓力鋼管安裝質量，實現了壓力鋼管安裝合格率100%、優良率98%；規避了超大直徑壓力鋼管安裝施工中的安全風險，杜絕安全事故發生。

2）該研發技術的成功實施，為類似水利工程引水隧洞壓力鋼管安裝積累了經驗，可在其他特殊工況的超大直徑壓力鋼管安裝中予以推廣應用。

3）該施工技術也有一定的局限性，尤其是洞內斜拉倒裝法施工的安裝效率還有待提高，洞內焊接壓力鋼管縱縫時，考慮到洞內洞壁滲水和潮濕的問題，焊縫焊接后合格率明顯低于壓力鋼管加工廠焊接縱縫的合格率。