超長豎井壓力鋼管安裝技術研究

趙根昌

(中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，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(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，電站取水口海拔約1800m。電站設1條4.2km引水隧洞，之后從調壓井至地下廠房設壓力鋼管，其中90°豎井高139m。下平段鋼管經2個“卜”形岔管變徑后供水給3臺機組，主鋼管內徑4.8m ，3條壓力支管內徑2.0m，鋼管軸線總長度312m，總重量900t，除兩個岔管材質為07MnMoVR級高強鋼外，其余鋼管材質均為Q345R低合金鋼。鋼管平面視圖和側面視圖見圖1。

2 超長豎井壓力鋼管安裝難點分析

a.傳統滿堂腳手架施工工藝受地域經濟發展影響，采購、運輸成本極大。由于尼泊爾市場資源極度匱乏，搭設腳手架所用架管不易采購。若從國內采購，進口關稅高達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行擴挖，橋機+載人系統配合的豎井段壓力鋼管安裝工藝不能順利實施。

3 擬采取的措施

a.用施工平臺和載人吊籠組合應用替代傳統滿堂腳手架的施工方法，使用豎井頂部單吊點實現壓力鋼管和施工平臺的分時吊運，達到節約工期和節省成本的目的。

b.載人吊籠以施工平臺為依托，控制方式上采用遙控操作，解決了施工人員上下和超長豎井內起重吊裝指揮信號誤傳、誤報的難題。不需要專人操作卷揚機，節約了人力資源投入，同時降低了施工強度和安全作業風險。

c.運用上述多用途設備組合，形成多設備組合的壓力鋼管調整、焊接、NDT檢測和防腐全局互相獨立、連續安裝的配套設備和工藝方法，并應用于實際工程，在不停止作業的情況下，實現連續安裝，有效實現程式化的施工模式，提高生產效率。

4 豎井段壓力鋼管安裝

4.1 豎井段施工平臺+吊籠載人系統設備研制

研發了一種施工平臺、載人吊籠系統組合設備，施工平臺分為對裝層、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。平臺中部設置載人吊籠通道和安全欄桿。吊籠依托施工平臺頂部的天輪導向，在施工平臺和下彎段鋼管登陸平臺之間運行，可在施工平臺提升時將吊籠下放到登陸平臺，與施工平臺脫離，減輕施工平臺提升重量。該組合結構見圖2。

a.豎井內施工平臺分為三層，分別為對裝層、焊接層和探傷防腐層，將焊機、空壓機布置在平臺的第二層，并用型材焊框架固定牢固。在作業平臺第二、第四層各安裝4個導向橡膠滾輪，防止平臺晃動，碰傷鋼管內部涂層；在上層平臺四角焊接4個吊耳，用4組吊具將施工平臺懸掛于已安裝鋼管管口之上(管口處在鋼管制作時已焊接4個吊耳)。上節鋼管吊裝并調整合格后，將施工平臺提升到新的工作位置懸掛，并使用掛卡將平臺掛在上節管口作為后備保護，進行下一步循環。為防止掉物，在施工平臺各層骨架上鋪花紋板封閉，層間設爬梯，每層爬梯頂部設安全艙蓋。施工人員上下和小型材料傳遞由施工吊籠實現。施工吊籠采用遙控器操作，頂部設上限位開關、沖頂保護開關。吊籠頂部鋼絲繩上設荷重保護裝置，下彎段登陸平臺位置設下限位開關作為松繩保護，吊籠罐簾門設置門開關互鎖控制回路。

圖2 施工平臺+吊籠組合設備

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，為卷揚機和通道照明提供電源。在施工平臺上布置安全低壓照明，同時在施工平臺下層設置兩盞射燈，照射方向向下，照明電源取自施工平臺所設配電盤。另在上、下彎段位置各設置一盞射燈。

c.施工平臺動力電源設置：主電源取自下平段供電接口，鋼管安裝施工平臺中間層布置一面配電盤，由一根銅芯阻燃軟電纜提供電源，平臺上所有施工、照明用電均取自盤上電源。配電盤內所有回路均設漏電保護開關。

d.施工吊籠的防墜繩固定在下彎管的適當位置，由2臺5t手拉葫蘆張緊，吊籠的上下運行通過布置在下平段的3t卷揚機牽引實現。

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

f.由于施工平臺各層相互隔離，可以實現連續吊裝和避免施工干擾。每層周圍設置高200mm的踢腳擋板。

g.鋼管豎井內無滲水點，但需要在上彎段合適位置設置擋水坎，保證干地施工條件。

圖3 鋼管懸掛受力分析

4.2 起吊系統布置

a.在上平段P0+33.00附近位置順水流右側布置一臺10t卷揚機用作壓力鋼管在豎井內吊裝和提升施工平臺，在鋼管交通洞內布置一臺5t卷揚機用于鋼管卸車、翻身和牽引鋼管運輸臺車，上平段鋪設運輸軌道，跨距5700mm和3100mm。

b.豎井頂部布置20t天錨1號，上平段交通洞與隧洞軸線交叉位置上方布置20t天錨2號；隧洞壁上合適位置打插筋作為導向；在豎井貫通后，正式吊運鋼管之前，按照最重管節13.55t的1.5倍即20.3t做天錨負荷試驗，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；在壓力鋼管下平段施工洞布置一臺5t卷揚機用于鋼管卸車、翻身和臺車牽引。在1號岔管上游下平段適當位置布置1臺3t卷揚機，用于施工吊籠上下的牽引。

d.受隧洞斷面尺寸限制，1號岔管采用洞內組裝。在1號岔管上方布置1個20t天錨和2個10t天錨用于該岔管洞內組裝，2號岔管上方布置1個20t天錨用于該岔管整體吊裝。鋼管起吊系統布置見圖4。

圖4 起吊系統布置示意

4.3 豎井段壓力鋼管運輸

洞內運輸由卷揚機、天錨、地錨、導向滑輪組、運輸臺車及運輸軌道組成。上平段布置5t、10t卷揚機各一臺，其中5t卷揚機用于鋼管卸車、翻身和運輸臺車牽引，10t卷揚機主要用于豎井鋼管的吊裝和施工平臺的提升。下平段布置一臺5t卷揚機用于鋼管卸車、翻身及運輸臺車牽引。運輸軌道采用22kg級輕軌。下平段布置一臺3t卷揚機用于吊籠載人系統升降。

4.3.1 豎井段壓力鋼管運輸路線

豎井段壓力鋼管運輸路線為：鋼管制造廠→左岸國道→清關檢查站→2號貝雷橋→右岸施工道路→3號施工道路→鋼管交通洞→上平段→豎井運輸。

4.3.2 鋼管上平段運輸軌道布置

上平段運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，以水準儀測量調整后將角鋼墊板焊在插筋上，再在墊板上安裝軌道。

4.3.3 壓力鋼管運輸

不同管徑鋼管在公路、橋梁和洞內運輸根據以下原則：

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

b.鋼管運輸通過貝雷橋，橋面寬度4.4m，需要在過橋前將鋼管用支墩墊高放置于平板拖車上，過橋后去掉支墩降低鋼管重心運輸。

c.立運的水平段鋼管在地下隧洞內需要翻身，豎井段的鋼管立運到位并卸車后可以直接運輸、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節作為定位節。定位節安裝調整合格后，使用型鋼加固，交面進行澆筑混凝土，并監控在澆筑過程中鋼管位置變化，及時調整入倉強度。之后向上游進行順序安裝，安裝順序見圖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的對裝及吊運

a.鋼管吊放到位后，用手拉葫蘆、壓縫器、拉緊器等工具對鋼管進行壓縫對裝、調整，直至合格，環縫采用厚18mm拉板固定。對裝完成經自檢合格后在鋼管外壁用型材進行加固。如有需貼焊接背板的焊縫則將背板貼緊點焊到鋼管外壁上，帶焊接背板的坡口間隙應不低于圖紙設計值，以便于焊條運條，保證坡口根部焊透。

b.本工程豎井段和一部分上彎段，采用施工平臺進行鋼管安裝、焊接。為保證豎井段鋼管安裝的安全性，該段鋼管在制作時，在內壁距上管口約150mm處裝焊4個吊耳。施工平臺在豎井頂部組裝后吊放進入鋼管，用4組吊具及卡扣掛在鋼管上。為防止鋼管焊接時平臺接地，平臺每次提升到安裝工位固定后，首先應將電焊機的接地線與鋼管可靠連接在一起。一節鋼管施工完成后，用豎井頂部天錨將施工平臺提升至下一工位，重復以上工作。為確保安全，需每天對施工平臺的掛裝系統及絕緣等進行檢查，施工平臺起吊前先松開吊籠的導向防墜繩，確保平臺上所有與鋼管的連接均已去除，如發現有不安全因素應立即整改。

c.為防止鋼管在下放過程中鋼管旋轉，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向裝置。導向鋼絲繩穿過軸承內環作為導向，限制平衡梁只能沿鋼絲繩做垂直運行，減少鋼管旋轉和碰壁引起石塊墜落的打擊風險。

5 結 語

通過對尼泊爾那蘇瓦卡里水電站超長豎井壓力鋼管安裝技術的研究，在豎井頂部不反向擴挖的情況下，研制了一種施工平臺+載人吊籠的系統組合設備，并應用到該工程中，形成了一種超長距離豎井段壓力鋼管的連續安裝方法，實現了豎井段壓力鋼管的機械運輸、連續作業，規避了常規滿堂腳手架搭設施工的安全風險，并降低了施工投入，可為同類型鋼管安裝提供經驗。