天錨吊裝系統(tǒng)在大型地下岔管安裝中的應(yīng)用

艾宗南，李睿巍

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，611800)

1 工程概況

南俄3水電站位于老撾中部Xaysomboune(賽松本)特區(qū)境內(nèi)，距離首都萬象公路里程約265km。該水電站是一座以發(fā)電為主，兼顧養(yǎng)殖、旅游等綜合利用效益的水利樞紐工程，電站設(shè)計裝機(jī)3臺160MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量480MW。機(jī)組采用一管三機(jī)聯(lián)合供水方式，由一條壓力引水隧洞、調(diào)壓井、地下主管段、兩個月牙肋岔管及三條支管組成。主管內(nèi)徑5.8m，全長607m，支管內(nèi)徑3.3m～2.4m；大岔管最大公切半徑3.4m，岔管本體最大外形：8.9m×10.6m×7.4m(長×寬×高)，總重97.9t；小岔管最大公切球半徑2.6m，岔管本體最大外形：6.2m×7.6m×5.8m(長×寬×高)，總重45.8t。

在引水隧洞主管段上游左岸設(shè)有一施工支洞，長度592m。其中，施工支洞為城門形斷面：寬7.6m、高6m；引水隧洞為馬蹄形斷面，直徑7.2m。

2 天錨吊裝方法

2.1 運(yùn)輸通道

受開挖斷面幾何尺寸限制，兩個岔管均在洞外采用分塊制作工藝，分為9個管節(jié)制作，編號①-⑨，岔管分塊重量見圖1左圖。其中，外形最長為④號管節(jié)(月牙肋)：7.4m×3.8m×0.13m(長×寬×高)；外形最寬為①號管節(jié)：7.2m×6.6m×2.8m(長×寬×高)；外形最高、重量最大為⑨號管節(jié)(錐體+月牙肋板)：5.8m×5.1m×3.9m(長×寬×高)、重22.2t。

圖1 岔管分塊重量及天錨系統(tǒng)布置

2.2 天錨吊裝方法

2.2.1 主要吊裝方法

在大岔管的安裝位置下方布置一鋼結(jié)構(gòu)平臺，平臺上平鋪有鋼板，用于岔管卸車和組裝。兩個岔管管節(jié)采用平板汽車運(yùn)輸，途經(jīng)施工支洞、引水隧洞運(yùn)抵平臺之上。洞頂布置7組天錨，與卷揚(yáng)機(jī)和滑輪組結(jié)合，完成岔管管節(jié)的卸車、翻身等吊裝工序。天錨沿水流方向依次編號1號-7號天錨，平臺上游地面布置有地錨，地錨至上游10m范圍內(nèi)左右兩側(cè)擴(kuò)挖成城門形，用于布置卷揚(yáng)機(jī)，其他位置布置有側(cè)錨和地錨。天錨系統(tǒng)布置見圖1右圖。小岔管在平臺上組裝完成后拖運(yùn)到安裝位置。大岔管先組裝右錐體，后組裝左錐體和月牙肋，左、右錐體合攏后與上游錐體組裝。

2.2.2 小岔管吊裝

1號-5號天錨用于小岔管管節(jié)的卸車和組裝。其中，3號天錨用于⑨號管節(jié)的卸車，卸車完成后，水平旋轉(zhuǎn)90°，采用3號和4號天錨雙點抬吊方式翻身，以4號天錨作為單吊點，將⑨號管節(jié)水平旋轉(zhuǎn)180°后放置于預(yù)制的鋼托架上。卸車和翻身形式見圖2左圖。

圖2 小岔管卸車、翻身組裝示意

采用類似方法，使用3號天錨完成⑧號管節(jié)的卸車，采用3號和5號天錨雙點抬吊方式完成翻身后，以3號天錨作為單吊點，吊裝⑧號管節(jié)。移動⑨號管節(jié)鋼托架到適當(dāng)位置與⑧號管節(jié)合攏。⑦號管節(jié)用1號和2號天錨雙點抬吊方式完成卸車和翻身，以2號天錨作為單吊點吊裝⑦號管節(jié)。再次移動鋼托架，完成⑦號管節(jié)組裝，見圖2右圖。小岔管組裝完成后，放置于預(yù)設(shè)的運(yùn)輸軌道上，采用卷揚(yáng)機(jī)與滑輪組結(jié)合的方法拖運(yùn)到安裝位置。

2.2.3 大岔管吊裝

1號-3號、5號-7號天錨用于大岔管管節(jié)的卸車和組裝。其中，3號天錨用于②號-⑥號管節(jié)的卸車。④號管節(jié)卸車完成后，平放于托架上，移動托架到下游指定位置，以滿足⑥號管節(jié)的卸車和翻身空間。⑥號管節(jié)采用3號和5號天錨雙點抬吊方式卸車和翻身，翻身后以3號天錨作為單吊點吊裝⑥號管節(jié)，移動④號管節(jié)放置于⑥號管節(jié)下方，組裝后整體移動到下游，以滿足⑤號管節(jié)的卸車和翻身空間。⑤號管節(jié)同樣采用3號和5號天錨雙點抬吊方式卸車和翻身，翻身后以3號天錨作為單吊點吊裝⑤號管節(jié)，移動⑥號置于⑤號管節(jié)下方，組裝⑤號和⑥號成為整體⑤+⑥。移動托架位置，使用3號、5號和7號天錨三點抬吊方式完成⑤+⑥翻身，移動④號管節(jié)至上游，吊起④號管節(jié)卸放于組裝平臺之上。移動托架至⑤+⑥下方，將⑤+⑥放置于托架之上，移動到右側(cè)指定位置，見圖3左圖。

圖3 大岔管組裝布置

再次吊起④號管節(jié)置于另一托架上，移動托架到下游，以滿足③號管節(jié)的卸車和翻身空間。采用與⑤+⑥相同的組裝方法，③號管節(jié)卸車和翻身完成后，移動④號管節(jié)與③號管節(jié)組裝成整體③+④，再次移動③+④到下游，以滿足②號管節(jié)的卸車和翻身空間。②號管節(jié)卸車和翻身完成后，移動③+④與②號管節(jié)組裝成整體②+③+④。移動托架位置，使用5號、6號和7號天錨三點抬吊方式完成②+③+④的起吊和翻身，移除托架和鋼板，各項安裝尺寸參數(shù)調(diào)整合格后加固焊牢。移動⑤+⑥與②+③+④合攏。①號管節(jié)使用1號和2號天錨雙點抬吊方式完成卸車和翻身，以2號天錨作為單吊點吊裝①號管節(jié)，完成大岔管組裝，見圖3右圖。

3 天錨吊裝系統(tǒng)的設(shè)計與施工

3.1 錨桿的選型與布置

(1)1號、2號、4號、6號天錨：起吊最大重量約Q0=22.2t、吊具重量約Q1=0.6t、鋼絲繩下拉力F0=5t。天錨最大荷載=Q0+Q1+F0=22.2t+0.6t+5t=27.8t。天錨最小設(shè)計荷載=27.8t×1.25=34.75t(動荷系數(shù)取1.25)，取設(shè)計荷載35t，即343kN。每組天錨由4根φ32HRB螺紋鋼筋組成，呈2×2正方形布置，孔中心距400mm，錨桿長度L=9m，入巖8.5m，外露0.5m，單根錨桿設(shè)計荷載85.75kN。為便于鉆孔施工，錨桿與洞壁面夾角約5°，見圖4左圖。

圖4 天錨布置

(2)3號、5號、7號天錨：起吊最大重量約Q2=51.5/2=25.75t、吊具重量約Q3=0.6t、鋼絲繩下拉力F1=8t。天錨最大荷載=Q2+Q3+F1=25.75t+0.6t+8t=34.35t。天錨最小設(shè)計荷載=34.35t×1.25=42.94t，(動荷系數(shù)取1.25)取設(shè)計荷載43t，即421.4kN。每組天錨由6根φ32HRB螺紋鋼筋組成，呈2×3矩形布置，水流方向孔中心距400mm，垂直水流方向孔中心距600mm，錨桿長度L=9m，入巖8.5m，外露0.5m，單根錨桿設(shè)計荷載70.24kN。為便于鉆孔施工，錨桿與洞壁面夾角約5°，見圖4右圖。

3.2 強(qiáng)度計算

本文只對荷載較大的天錨錨桿強(qiáng)度進(jìn)行驗算，其余導(dǎo)向錨桿不再驗算。錨桿截面和錨桿長度驗算[1]。

①錨桿桿體的截面面積計算公式：

(1)

式中：Kt——錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，取1.8；

Nt——錨桿軸向拉力設(shè)計值，取最大值85.75kN；

yb

——鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取360N/mm

2

。

帶入公式(1)得錨桿計算截面面積：

φ32錨桿截面面積804mm2>428.75mm2，滿足要求。

②錨桿的錨固段長度計算公式并取其中的較大值：

(2)

式中：Kt——錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，取1.8；

Nt——錨桿的軸向拉力設(shè)計值，取最大值85.75kN；

La——錨桿錨固段長度，m；

mg

——錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取0.3MPa(軟巖0.3～0.8)；

ms

——錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取2.0MPa；

D——錨桿錨固段的鉆孔直徑，取64mm；

d——鋼筋直徑，取32mm；

ξ——采用2根或2根以上鋼筋時，截面的粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.6；

φ——錨固長度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，取1.0；

n——鋼筋根數(shù)，取較小值4。

帶入公式(2)得La1=2.559m，La2=0.319m，均小于錨桿實際錨固長度La=8.5m，滿足要求。

③吊耳驗算[2]。吊耳采用δ=26mmQ345鋼板，316mm×300mm(長×寬)，吊耳孔d=100mm，孔下部鋼板高度100mm，吊耳孔兩側(cè)均含有12mmQ345補(bǔ)強(qiáng)板，見圖4。

吊耳孔壁承壓驗算公式：

(3)

吊耳孔拉應(yīng)力驗算公式：

(4)

式中：P——一個吊耳孔所承受的荷載，取421.4kN；

δ——吊耳板的厚度，取50mm；

r、R——r取吊耳孔半徑50mm，R取150mm；

[σcj]、[σk]——容許局部緊接承壓應(yīng)力[σcj]取115MPa、孔壁抗拉應(yīng)力[σk]取165MPa。

帶入公式(3)、(4)得σcj=84.28MPa≤[σcj]、σk=105.35MPa≤[σk]，滿足要求。

④錨桿與鋼板角焊縫強(qiáng)度驗算[3]。角焊縫焊腳高度16mm，受長度方向的剪應(yīng)力：

(5)

式中：τ——按角焊縫的有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力；

N——通過焊縫形心的剪力設(shè)計值，取343kN/8=42.875kN；

he——角焊縫的有效厚度，取0.7倍焊腳高度，即11.2mm；

lw——角焊縫的計算長度，對每條焊縫取其實際長度減去10mm，即290mm；

3.3 天錨系統(tǒng)施工方法

(1)天錨系統(tǒng)施工工藝流程[4]見圖5。

圖5 天錨施工工藝流程

(2)天錨系統(tǒng)施工

①鉆孔。岔管異形件吊點和天錨吊點中心通過三維設(shè)計軟件計算得出坐標(biāo)。每根錨桿在洞壁處的位置使用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)放樣并使用噴漆作出標(biāo)記。錨桿孔采用雙臂鉆造孔，孔徑64mm，孔深8.5m，孔深誤差值不大于50mm，鉆孔軸線的偏斜率不大于錨桿長度的2%[5]。

②錨桿制作與安裝。錨桿采用平直、長度9m的螺紋鋼，沿桿體軸線方向每隔1.5m焊接一對長50mm、φ10mm的普通圓鋼用作對中支架，焊接完成后清理錨桿表面，涂刷防銹漆。排氣管端部距孔內(nèi)頂部約10cm，注漿管插入孔口深度約5cm并在孔口設(shè)置密封裝置。注漿管、排氣管應(yīng)與錨桿桿體綁扎牢固且在運(yùn)輸過程中防止扭壓和彎曲。錨桿安裝前應(yīng)檢查孔道深度和孔徑，將孔道清理干凈后方可開始插桿。插桿時不得損壞防腐層，當(dāng)插桿過程中遇阻力較大時，應(yīng)查明原因并解決后方可繼續(xù)插桿。插桿深度不小于設(shè)計入巖深度的95%，插桿完成后應(yīng)綁扎牢固。

③注漿。注漿漿液采用純水泥漿并添加適量減水劑、膨脹劑，強(qiáng)度等級不低于M30。注漿前應(yīng)檢查排氣管和注漿管是否暢通完好。漿液應(yīng)隨攪隨用，并在初凝前用完。注漿開始后，當(dāng)排氣管返漿時，先將排氣管管口扎緊，再停止注漿。注漿完成后，不得隨意敲擊錨桿和懸掛重物。

④錨桿檢測。錨桿強(qiáng)度達(dá)到70%后，采用砂漿飽和檢測儀或聲波物探儀無損檢測法對每根錨桿的砂漿密實度和長度進(jìn)行檢測[6]。檢測結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計要求。

⑤吊點和起重設(shè)備安裝。錨桿檢測合格后，開始焊接頂部連接鋼板和吊耳等，焊接完成后檢查焊縫外觀及尺寸，均應(yīng)滿足設(shè)計要求。天錨、導(dǎo)向側(cè)錨及地錨焊縫均焊接完成后，布置卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、滑輪等起重設(shè)備和工具。

⑥荷載試驗。錨桿注漿完成28d后，對7組天錨進(jìn)行100%靜載荷、100%動載荷和125%靜載荷試驗，檢查錨桿和吊具有無松動變形，焊縫有無裂紋等，確保天錨吊裝系統(tǒng)安全可靠。荷載試驗合格后，天錨吊裝系統(tǒng)方可投入使用。

4 結(jié)語

(1)天錨吊裝系統(tǒng)，安全、高效地解決了本工程大型地下岔管在狹小空間的吊裝難題，減少了隧洞擴(kuò)挖和回填方量、降低了工程施工成本和風(fēng)險；

(2)利用三維設(shè)計軟件計算各不規(guī)則吊裝單元的重心坐標(biāo)，結(jié)合全站儀放樣，準(zhǔn)確布置各天錨吊點的中心坐標(biāo)，可提高吊裝定位的精準(zhǔn)性和吊裝效率；

(3)錨桿的施工過程質(zhì)量控制是保證天錨吊裝施工安全的關(guān)鍵。