岔河倒虹吸缆索吊装方案设计

张天军

（中国水电建设集团第十五工程局有限公司 陕西 西安 710065）

1 概述

岔河倒虹吸是昆明市掌鸠河引水供水工程中的重点工程之一，其上游连接上公山隧洞出口，下游连接燕麦地隧洞进口，中段在谷底横跨普渡河。岔河倒虹吸压力管道全部采用钢管，全长2093.025m，钢管最低处最大水头Hmax=414.11m，钢管内径为D=2200mm，其Hmax·D值位居亚洲同类倒虹吸之首。钢管壁厚δ14mm～32mm，材质为Q235C和16MnR。倒虹吸设计流量为8m3/s。倒虹吸钢管始端桩号0+010.881，管轴线高程2000.789m，钢管末端桩号1+855.692，管轴线高程1986.789m，两端钢管轴线高差14m。

岔河倒虹吸山势陡峭，最陡段钢管坡度达43°54′03″。在全长2.1km的管线中，坡度在20°以下的管线长749.997m,占全长的35.8%；坡度在20°以上的管线长1343.028m,占全长的64.2%。全管线仅有10处与施工道路相连，除此外，再没有可修筑施工道路的条件，机械设备根本无法到达管槽。现场地形陡峭狭窄，致使在2.1km长的管线近旁找不出一块合适的场地用来做钢管的临时堆放点。在供管的高峰期,只有将钢管蜿蜒堆放在施工道路的一侧,在安装时再进行倒运,钢管最远的倒运距离竟达到7.5km之遥。在此施工条件下，唯一经济可行的钢管安装方案就只有借助现有的施工道路，采用缆索起重机分段吊装。

2 缆索吊装方案设计

2.1 缆索的分段

缆索的分段要根据管线的平面布置和纵向轴线、管线的地形条件、吊装设备的布置、现有设备的能力、钢管吊重、卸车点、安装顺序等因素综合考虑。由于现场地形条件限制，缆索起重机不能横向移动,管轴线在平面上有偏折角的必须进行分段。缆索吊装范围内的管线至少要有一处与施工道路连接，便于塔架架立和钢管装卸。一般缆索低处的塔架应布置在镇墩低处，高处的塔架应靠近镇墩低处，因为一般坡管首先安装和固定低处的镇墩处钢管，再从低处向高处依次安装。一般情况下，一套缆索的跨度宜在200m～300m。分段距离过长，钢管用缆索吊装的运行时间就越长，需要塔架就越高，主索受力就会增大；分段距离过小，就会增加缆索的拆除和安装次数。另外，还要考虑埋设主锚和布置卷扬机的场地条件，以及主索的具体情况。缆索起重机的主锚至关重要，受力巨大，通常采用钢丝绳捆绑圆木的地垄,不仅自身体积庞大，而且前部还需要有庞大的抗滑土体。在缆索分段时就需要考虑主锚位置的地形和地质条件。

在此，以第一套缆索（见图1）为例来说明缆索的分段过程。在PK0+18m和PK0+295.8处为施工道路的两个分支点，其间地形陡峭，再无修建道路的条件。两道路支点间的管线在1#镇墩（PK0+106.728m）处向下弯折42.5°，1#镇墩上游还有86m钢管安装。根据以上条件综合考虑，在PK0+18m和PK0+295.8处分别架设塔架，在1#镇墩紧上游架设一套人字杆做中间支撑，其下游一跨作为主跨，上游一跨作为副跨，此段钢管安装采用复式缆索方案。上游主锚设在PK0-45.7m的山坡上,地形开阔，地质坚硬。下游主锚在管槽内不便设置，主索过塔架后呈Y型分开，分别在PK0+411.683m管槽外两侧的岸坡上埋设两个小主锚。采取此方案，1#镇墩以下钢管用缆索主跨进行安装，从0+295.8m处卸车，钢管从3#镇墩处开始，依次从下向上安装至1#镇墩处。然后再转移到上游的缆索副跨，从0+18m处卸车，钢管安装从1#镇墩处开始，依次从下向上安装1#镇墩上游钢管。特别要注意的是：陡坡段钢管安装，必须要在镇墩砼至少达到七天龄期强度后再开始其高处的钢管安装，以避免发生塌管或溜管事故。

2.2 假定塔架的高度和缆索的长度

首先，根据经验和现场地形条件假定两端塔架的高度。如果坡面地形没有大的隆起，一般塔架高度选在15m～25m之间。

表1 岔河倒虹吸缆索受力计算成果表

其次,通过作图试算法确定：缆索跨度内各个位置在满足吊装最小安全距离时主索的长度，再在这若干个主索长度中找出其最小值Lmin，此长度即是假定塔架高度情况下缆索的理想长度。即主索长度不能再增加，只有在此情况下吊装钢管才能顺利通过全跨度内的各位置；同时主索长度也不宜再减少，因为此情况下的主索矢高相对最大，主索受力相对最小。在作图分析时，缆索跨度内各位置的选择可采用对折法，将跨度依次进行2等分，4等分，8等分……，各点间隔距离逐渐缩小。对各点的缆索长度进行统计和比较并取其小值，直到最小的两缆索长度相差在1cm以内，即为最理想的缆索长度Lmin。在作图时，吊装的钢管应捆绑倾斜与管道坡度一致，这样就可以最大限度增大缆索矢高，减小主索受力，也便于钢管就位对接。同时在作图分析时，缆索在吊重后绷紧，可按直折线进行分析。钢管吊装时的最小安全距离（即低处钢管安装后,高处钢管在从低处钢管顶部通过时,为保证施工安全二者之间应有的最小距离）至少应选为0.2m，特别注意应从钢管加劲环顶部或镇墩砼顶部起算，而不是从钢管顶部起算。

2.3 缆索的受力分析和强度验算

假定了塔架高度和主索长度后，接下来进行缆索的受力分析和强度验算，最终来选定主索或验算现有的主索。通过分析，当吊重在跨中时，缆索处于最不利受力状态，所以仅对跨中吊装进行分析和验算。首先，仍通过作图试算法来确定缆索在跨中吊重情况下的矢高，即主索长度等于Lmin时的矢高。具体方法是：先假定一个矢高，作图确定出缆索长度，将此长度与Lmin比较，如果两长度相近到1cm以内，即可认为此矢高就是所求的矢高。否则再重新假定一个矢高试算。矢高确定后，再对主索在此矢高下的吊装情况进行受力分析，计算出主索所受的拉力，从而选定主索或验算现有主索的安全系数。如不满足要求，就需要对以上假定的塔架高度或主索矢高，以至于对缆索的跨度或主索直径进行调整，再重新试算，直至满足要求。在对所有分段的缆索进行受力分析和强度验算后，再综合考虑选取塔架的数量、主索的规格和长度。

例如，岔河倒虹第一套缆索的主跨，其最小安全余高取为0.2m，通过试算，主跨主索理想长度Lmin为235.16m，跨中矢高f为11.8m。取跨中部分为脱离体，画受力简图如图2所示。不难看出，结构受力为一平面汇交力系，主要的力有钢管的重量G，吊具重Q，牵引力V和主索轴向拉力N。其中G和Q为已知力，根据静力平衡条件列方程组，由ΣX=0和ΣY=0即可求得V和N。再根据主索的理论破断力［N］与实际拉力N，计算出主索的实际安全系数K，与规范规定的安全系数［K］比较。如K≥［K］，则主索受力满足要求。

第一套缆索主跨，已知吊重为6m长δ14mm厚钢管，G=44.9kN；跑车和滑轮组等吊具重Q=9.8kN。解得牵引力V=31.3kN，主索拉力N=257.2kN。主索为现有的 2根 φ44mm（6*37+FC）钢丝绳，破断拉力［N］=1678kN，实际安全系数K=6.5，远远大于规范规定的安全系数［K］=3.5，故此方案可行。

2.4 实施效果

经过吊装设计，岔河倒虹吸钢管吊装共架设缆索8套次，其中上游的第一套缆索为两跨复式缆索（见图1）。在这8套缆索中，最大吊重103.6kN，最大跨度283.2m，最小矢跨比1/22，缆索两端的塔架顶部最大高差155m，这些吊装参数都达到了技术极限。

8套缆索的主索受力分析和强度验算结果见表1。

需要说明地是，钢管吊装用的主索是此前吊装岔河大桥的砼拱形箱梁所用，其缆索的跨度和吊重均远大于钢管吊装，故表1中主索的实际安全系数都远远大于规范规定的安全系数。

3 结语

该套缆索吊装方案设计，依据现场地形等实际情况，经过精确的计算和理论分析，采用严格的技术措施，在岔河倒虹吸钢管吊装施工中得到了多次成功地运用,取得了良好的经济技术效益，为同类型复杂地形条件下的吊装提供了借鉴，具有一定的参考价值。陕西水利