抽水蓄能電站壓力鋼管洞內運輸卸車臺架設計及應用

廖湘輝，何 彬，肖燕超，尹麒麟，程 創，鐘先友

（三峽大學機械與動力學院，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

在水電建設中，壓力鋼管已普遍應用于大、中型水電站。壓力鋼管多為洞內埋管，因安裝現場環境惡劣，吊裝手段十分有限，影響施工安全的因素多，如何順利將鋼管運輸至安裝位置，需采取一些科學、安全可靠、靈活的施工方法。目前常用的運輸方案存在運輸過程中洞內空間不足、吊裝手段十分有限、工程成本高和操作難度大等問題。同時，影響施工安全的因素也很多，因此選擇合適的施工設備和方法來順利實現壓力鋼管的安全可靠、科學高效運輸及卸車成為一個亟待解決的難題。基于此，本文對壓力鋼管的洞內運輸方式進行了探討，設計了一種卸車臺架，并對其結構進行了有限元校核分析。

1 工程概述

績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮，靠近華東地區安徽皖江城市帶用電負荷中心，在華東電網皖電東送輸電通道上[1]。同所有采用壓力鋼管作為引水系統內襯的抽水蓄能電站一樣，績溪抽水蓄能電站的關鍵問題也體現在壓力鋼管的運輸和卸車上。該電站引水隧洞壓力鋼管均采用洞內安裝形式，考慮到隧洞的前期工作量和施工安全等因素，不宜采用吊裝方式卸車，必須合理制定壓力鋼管的洞內運輸方案。

2 壓力鋼管運輸及卸車方案

2.1 壓力鋼管的運輸

壓力鋼管的運輸方式一般分為臥運和立運兩種。臥運的特點是：鋼管與汽車聯系緊密、重心低、安全可靠、裝車固定簡單，但是對道路寬度要求高，運輸時會影響其他車輛通行。立運的特點是：占用空間小、對公路寬度要求低、通過性能好，但是運輸整體重心高、穩定性差，對路面質量要求高，汽車輪胎寬度大[2]。

績溪抽水蓄能電站上斜井鋼管洞外運輸途經上下庫連接公路，起點LK1+900，終點LK11+430，途經5個公路隧道，公路運輸長9.53km；1號施工洞起點設在5號公路隧道中部（LK11+430），1號施工洞內汽車運輸645m，汽車運輸全長10.175km。壓力鋼管運輸全過程中共有3種運輸狀態：公路運輸、公路隧道運輸和施工洞內運輸[3]。其中，公路隧道運輸時隧道最大高度不足5m（壓力鋼管長度為6m），故只能采取汽車臥運的運輸方式轉移鋼管。

由于壓力鋼管采用汽車運輸，其卸車方式可分為洞外卸車和洞內卸車。若采用洞外卸車，則需要在公路隧洞口布置龍門吊或租賃汽車吊，使壓力鋼管轉移至洞內運輸臺車上，用牽引車將運輸臺車牽引至施工隧洞。但由于公路隧洞是上下庫連接公路的一部分，屬于交通要道，尤其是上庫出渣車輛通行頻繁，采取此方案會嚴重影響道路通行，故應采取洞內卸車的方式。洞內卸車若采用天錨卸車，則需在洞內擴挖一個汽車調頭區、卷揚機洞室，但洞內施工情況惡劣，存在坍塌風險，會增加后期加固費用，嚴重影響工期。故運輸汽車開到洞內卸車點后，如何將壓力鋼管在有限空間內穩定迅速可靠地轉移至洞內運輸臺車上顯得尤為重要。

針對工程難點，提出了液壓頂卸車與天錨卸車、洞口龍門吊卸車3種方案，在對各種卸車方案從成本和工期角度對比分析發現，采用液壓頂升式卸車臺架不存在交叉施工，減少了土建和金屬結構施工的相互干擾，且成本最小，因此本工程采用液壓頂施工方案。該方案采用一種液壓頂升式卸車臺架，能順利完成壓力鋼管的洞內運輸要求，很好地避免了壓力鋼管洞內吊裝的問題。

2.2 壓力鋼管的卸車流程

用汽車將壓力鋼管連帶卸車臺架運輸至施工支洞與引水洞交叉口時（接近終點），將汽車停在施工支洞內。先將引水洞內的運輸臺車牽引到施工洞與引水洞交叉點上游側，把鋼管運輸臺車牽引至卸車點下游側10m內以完成卸車前期準備工作。壓力鋼管和卸車臺架的汽車運輸狀態示意見圖1。

將鋼管運輸汽車車頭朝向引水洞上游側，駛進引水洞內，再倒車進入卸車點。汽車在進入卸車點時其寬度方向中心與臺車軌道中心左右偏差在100mm以內，在倒車區應采用平行于臺車軌道的倒車引導輔助線以保證汽車寬度中心與臺車中心的偏差，距臺車軌道中心線1500mm。汽車倒車時將汽車邊與輔助線對齊，倒入卸車點。汽車中心線與臺車中心線對準后，卸車臺架的液壓頂升千斤伸出，將鋼管頂起至離地高度為1.2m，與汽車平臺形成0.2m以上的間距，汽車往前開走，完成鋼管卸車[4]。

圖1 汽車運輸狀態示意圖Figure 1 Schematic diagram of automobile transportation status

汽車開走后，將停在卸車點下游側的運輸臺車牽引至鋼管正下方[5]，卸車臺架的液壓頂升千斤開始下降，將鋼管放置到洞內運輸臺車上。鋼管放到運輸臺車上后，將卸車臺架的下游側彎梁結構的連接拆除，載有壓力鋼管的運輸臺車的下游側開放，為運輸臺車駛離騰出了空間。當運輸臺車駛離后，將卸車臺架拆除的彎梁重新連接，液壓頂升千斤頂升卸車臺架離地1.2m后，把汽車平板部分沿著倒車輔助線倒入卸車臺架正下方，將液壓頂升千斤收回下降，使卸車臺架緩慢降落到汽車平板上，液壓頂升卸車工序完成，汽車載著卸車臺架返回鋼管廠，重新裝載壓力鋼管[6]。

卸車過程場地示意見圖2。

3 卸車臺架的結構設計及強度校核

3.1 卸車臺架的結構設計

績溪抽水蓄能電站引水隧洞壓力鋼管單節長度為3m，管壁外徑為φ4.88m（壁厚40mm），環筋外徑為φ5.18m，在鋼管加工廠組焊為6m一節整體運輸，總重約為3.2×104kg。因此，設計的卸車臺架整體結構必須具有承載能力大、卸車安全穩定可靠、效率高等特點。同時，為了使卸車臺架能順利將壓力鋼管轉移到運輸臺車上，并且有足夠的空間離開壓力鋼管，因而彎梁的尺寸要受到限制。

圖2 卸車過程場地示意圖Figure 2 Schematic diagram of the unloading process site

針對壓力鋼管的卸車要求，把鋼管支承座設計成與鋼管弧度相一致的弧形支承彎梁結構，左右各設置一個，并避開壓力鋼管的環筋，不僅能使彎梁與鋼管緊密接觸增強受力特性，也能確保鋼管接觸區域的表面質量。兩支承彎梁結構間通過兩平行桁架結構聯系成為一個整體，左側彎梁結構與聯系桁架采取可拆卸的活動連接方式，右側彎梁結構與聯系桁架固連，并焊接三角板進行加強，以增加整體結構的穩定性。支承彎梁兩端均設有液壓千斤頂支座，用于安裝液壓頂升千斤，以實現卸車臺架的整體頂升和下降，卸車臺架的結構見圖3。

3.2 卸車臺架的關鍵部位校核

卸車臺架整體基本呈左右對稱結構，只是左側彎梁為實現可拆卸功能，采取鉸支活動連接，并在底部裝有行走裝置；右側彎梁轉角處有為增強臺架整體結構穩定性而設置的加強三角板。壓力鋼管在卸車過程中，其自身重量全部由左右兩彎梁直接承載，故彎梁整體結構的強度和剛度能否滿足要求直接關系到整個卸車過程能否順利完成，因此有必要對其進行相關校核。根據設計內容，當液壓頂升千斤處于完全頂升狀態時，彎梁整體結構受力穩定性最差，在Solidworks中建立該彎梁在此狀態下的三維簡化實體模型，通過接口導入到Workbench中完成幾何模型的建立，其所有材料均選用結構鋼，相對應的彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。接觸面均選用Bonded約束，網格按默認值自動劃分。彎梁頂升狀態有限元模型如圖4所示。

圖3 卸車臺架的結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of the unloading platform

已知壓力鋼管的總重約為3.2×104kg，但出于對施工過程中可能出現的不定性因素的考慮，取設計值4.0×104kg，校核彎梁的結構強度。根據鋼管與彎梁的實際接觸情況，將單個彎梁所受的載荷等效于面載荷0.21MPa的形式均勻施加在彎梁的弧形段上表面；將一端液壓頂升千斤底部進行固定約束，另一端只添加Y、Z兩個方向的約束，其整體應變和整體應力分別如圖5、圖6所示。

圖4 彎梁頂升狀態有限元模型Figure 4 Finite element model of curved beam jacking state

圖5 整體應變云圖Figure 5 Overall strain cloud

卸車臺架材料選用結構鋼Q235，有限元計算結果表明，該彎梁結構的最大變形為5mm，出現在中部位置，并向兩邊發散，逐級減小，符合此結構的實際變形情況，其整體剛度滿足要求；最大應力為155MPa，出現在液壓頂升千斤的法蘭連接位置附近，屬于局部應力集中，故在此位置結構設計時應適當采取加強措施，但其主要應力基本集中在彎梁中部，應力值最大在100MPa左右，為材料的許用應力235MPa的42%左右，存在較大的余量，此結構的強度滿足鋼結構強度設計規范的相關標準。

圖6 整體應力云圖Figure 6 Overall stress cloud

4 結束語

以績溪抽水蓄能電站為工程背景，滿足工程的施工需求，制定了壓力鋼管從鋼管加工廠到安裝位置的運輸及卸車方案，尤其是在卸車環節上，研制了一種裝有液壓頂升千斤的卸車臺架，整個卸車過程占用空間小，安全可靠，效率高，能夠實現洞內卸車，不僅使工期得到了保障，也很大程度上降低了卸車過程對交叉作業帶來的負面影響，該壓力鋼管卸車臺架在工程中已投入使用并達到了良好的使用效果，證明了卸車方案的可行性，能夠起到節約項目成本，縮短工期的目的，對其他類似工程有很好的借鑒意義。