木星土水电站竖井全衬砌大型压力钢管安装技术与方案设计

王文忠

（葛洲坝集团第二工程有限公司，四川成都 610091）

1 工程概况

木星土水电站是云南省迪庆州香格里拉县东部尼汝河流域梯级水电开发的第四级电站，电站装机2台单机容量 60MW 水轮发电机组。电站发电引水系统由进水口、引水隧洞、阻抗式调压井及压力管道等组成，阻抗式调压井后接压力管道。压力管道采用一洞一管二机阶梯形轴线钢板全衬砌全洞内埋管布置形式，圆形过流断面，为电站永久性主要建筑物。

压力钢管设计静水头421.1m，最大水头520.0m；主管直径Ф3.0m，轴线长度1112.68m；岔管采用Y形月牙肋结构型式，分岔角为70°；支管直径Ф1.2m，轴线长度131.85m；设计安装总工程量2830.5t。设计静水DH值1263.3m2，最大DH值达1560.0m2，属于水利水电工程大型压力钢管。

按钢管轴线布置和形式压力钢管分为：上平洞段、1#弯管段、上竖井段、2#弯管段、中平段、3#弯管段、下竖井段、4#弯管段、下斜井段、水平段、岔管段和支管水平段等部分组成。其中，上、下竖井段压力钢管安装高度达114 m和200 m，分别相当于38层和67层楼高，安装工程量达186节（含上、下弯管段），约占整个工程压力钢管安装工程量的三分之一。

2 竖井安装技术方案规划和布置

压力钢管安装总体方案规划和布置见图1。

（1）安装起始点选定。根据压力钢管管线布置技术特性，为便于始装定位节的安装定位和与弯管及后续直管管节进行衔接，确保弯管和竖井直管管节安装控制精度，选择水平管节为始装定位节。其中，上竖井选定2＃弯管段与中平洞连接处的第一节水平管节为始装定位节（图1所示2＃始装定位节）。下竖井选定4＃弯管段与下斜洞连接处的第一节斜管节为始装定位节（图1所示3＃始装定位节）。

（2）竖井压力钢管安装顺序：1）上竖井。从2＃始装定位节开始，自下游向上游沿 2＃弯管段向上→ 上竖井段→ 1＃弯管段 → 上平洞施工支洞方向，依次按顺序进行管节安装。2）下竖井。从 3＃始装定位节开始，自下游向上游沿4＃弯管段向上 →下竖井段 → 3＃弯管段 → 中平洞施工支洞方向，依次按顺序进行管节安装。

（3）调整节设置。由于上、下竖井钢管轴线较长、管节数量多、管节节间拼装修割和环缝焊接收缩量较大，为防止上、下竖井段管节安装过程中，因管节拼装修割和环缝焊接收缩，造成竖井段管节高度出现偏差，故应在上、下竖井段直管顶部与弯管段连接处，设置相应的高度调整节。或将竖井直管顶部最后一节，直接选定为高度调整节，以满足竖井直管与上弯管安装整体几何尺寸精度控制要求。

图1 木星土水电站压力钢管始装定位节、安装顺序及凑合节布置轴向剖面示意图

3 上、下竖井压力钢管安装设计

3.1 2#和4#下弯管段安装

2#和4#下弯管段安装是上、下竖井段管节安装的基础，也是保证两竖井钢管安装精度和施工进度的关键。其管节安装应在其相应始装节安装完成，并已回填浇筑混凝土，且经验收确认合格后方可进行。

下弯管段管节安装可采用两种方式，一种是按下弯管各管节安装顺序，预先将下弯管下半部分的各管节采用管节运输台车和临时天锚配合方式，先将管节拉入安装部位，临时固定牢固，然后先安装 2#或 3#始装节及下游侧2～3节下平管段，待混凝土回填凝固后，再按由下向上顺序，依次就位安装已事先拉入的下弯管各待装管节。预先拉入下弯段的管节数只要条件充许，原则上应尽量多拉，最好能一次拉入下弯管管节数量的一半较好。下弯管段剩余上半部分的管节，采用竖井洞顶的吊装系统依次吊装就位。

第二种方式是在下弯管段正式安装前，预先在下弯段底部沿弯管弧度敷设安装好临时轨道，然后先安装 2#或 3#始装节及下游侧 2～3节下平管段，待混凝土回填凝固后，再采用竖井洞顶吊装系统将下弯管剩余各管节依次吊装至下弯管处后，利用钢管自重和弧形滑动胎架与轨道摩擦，沿下弯段底部已敷设轨道依次滑移至管节安装部位，然后按管节安装顺序依次进行安装焊接。下弯管段各管节沿底部弧形轨道下滑移动时，可在弯管洞壁上游侧适当位置设置一临时辅助锚点，辅助牵引管节下滑移动，以确保各弯管节下滑时的安全和减少自重下滑分力，见图2。

3.2 上、下竖井段安装

上、下竖井段管节安装是整个压力钢管安装的重点和难点，也是制约整个安装施工进度的关键部位，具有超高空作业、安全风险大、安装施工空间狭小、安装工作量大等施工特点。

上、下竖井段管节安装应在2#和4#下弯管段钢管全部安装完成，且其外包混凝土已回填浇筑、固结24h后进行。

3.2.1 竖井管节吊装

由于上、下两竖井分别高达114.0m和200.0m，如选用在竖井顶部布置桥机或矿井提升机起重吊装方案，需增添相应专用设备，一次性投入较大，设备制造安装周期长，且需增加土建竖井洞顶扩挖和混凝土岩锚梁工作量较大，施工成本较高。

综合对比各种起重吊装方案安全可靠性、工作效率、操作简易性和设备采购使用成本等因素，本工程推荐在竖井段管节起重安装中，选用“天锚＋卷扬机” 吊装方案。

图2 2#（4#）下弯管段钢管安装示意图

其优点是：可充分利用现有土建施工条件、技术简单易行、安全可靠性较高，设备采购使用成本经济，施工方式简单灵活、吊装工效较高，起吊高度可不受起吊高度限制。见图3所示。

图3 114m（200m）竖井段钢管安装示意图

为防止钢管在竖井内吊装过程中，因钢丝绳自旋力而发生钢管旋转造成起重钢丝绳发生缠绕“死钩”现象，竖井内钢管吊装时应设置相应的“防止管节旋转装置”技术措施。

3.2.2 竖井管节安装

竖井段管节安装可按单节或二节一组一个吊装单元方式进行吊装，安装顺序按自下向上依次逐节进行拼装及焊接。

为便于竖井钢管安装作业和提高工效，保障安装操作人员人身安全，方便操作人员在竖井安装时上下出入，竖井安装施工采用“竖井专用工作台车＋吊笼装置”工作方式进行管节的安装和焊接。

图4 1#（3#）上弯管段钢管安装示意图

3.3 调整节安装及1#和3#上弯管段安装

竖井高度调整节应根据上、下竖井钢管安装高程实际偏差，采用整节加长钢管或专门进行配制。

1#和 3#上弯管段管节安装应在竖井钢管全部安装完成，且其外包混凝土已浇筑施工完成后进行。

根据上弯管段施工特点，为便于上弯管段各管节吊装就位，可将上弯管各管节分为1/3下段和2/3上段二部分，分别依次逐节进行安装。

1/3下段各管节起重吊装，采用“管节运输台车+洞顶天锚+卷扬机+手拉葫芦”方式，按各管节安装顺序依次逐节或两节一组进行吊装就位。

2/3上段各管节起重吊装，可按各管节安装顺序依次逐节或两节一组，采用“管节运输台车+卷扬机（双牵引）+弧形轨道+手拉葫芦”方式，利用钢管自重和滑动支架与事先设置在上弯段底部的弧形轨道滑动摩擦，均匀将各安装管节下滑落放至安装部位。

上弯管起始段管节部分，可采用双卷扬机或在对面方向设置临时导向轮方法，以辅助牵引管节移动和下滑。见图4所示。

4 竖井安装天锚吊装装置设计

4.1 竖井吊装天锚设计

4.1.1 天锚起重量及有效起吊高度选定

按上竖井最大单管节重量2.493t，下竖井最大单管节重量2.888t，预留二节一组管节单元起重吊装载荷能力，并考虑滑轮组、吊具、钢丝绳重量、使用频次和起重荷载系数及预留安全裕量等因素，选定上、下竖井吊装天锚起重荷载能力≥15.0t。

天锚最小有效起吊高度选定，按满足管节竖（立）装或卧（横）装时，能有效吊起脱离运载车辆，且起吊钢丝绳夹角及滑轮组和运载车辆上下均余有一定的空间安全裕度考虑。选定最小有效起吊高度≥8.5m。

最大有效起吊高度，按满足竖井下弯管段最末端管节下放滑移和安装到位选定，上竖井≥120m，下竖井≥210m。

4.1.2 天锚型式及位置设置

（1）型式。天锚选用由三根互成15o～30o夹角锚杆组成一组型式。锚杆采用 3根长度 L=6.0～8.0m，Ф26.0～28.0mm螺纹钢筯，在洞室顶部岩石上打孔注浆锚固后作为天锚的承载锚点，下部端部采用钢板或型钢进行电焊联接加固后作为天锚的起吊悬挂承载锚点。

（2）安装高度和顶部扩挖空间尺寸选定要求：1）满足安全、高效、经济的原则。2）满足天锚安装、拆除和安全运行的空间要求。3）满足单管节卸车，竖井洞口地面两节一组拼装和整体吊装高度和空间要求。4）满足上、下竖井上弯管段采用天锚进行吊装的空间和位置要求。

（3）位置设置见图1、2、3、4。

4.2 卷扬机、滑轮组及钢丝绳的选择

4.2.1 洞内卸车天锚起重卷扬机及滑轮组

按洞内二节一组最大单元管节起重重量，上竖井 2.493×2（t），下竖井 2.888×2（t），下斜井段3.191×2（t），考虑吊具及钢丝绳重量，选定洞内最大单元管节卸车荷载7t。

考虑卸车天锚起重卷扬机使用的便捷性、灵活性、通用性和设备采购使用成本等因素，推荐选用型号为JM-5型慢速电动卷扬机，钢丝绳额定速度10～18m/min，钢丝绳直经d≥22mm，卷筒容绳量≥100m。

天锚滑轮组按最大单元管节及吊索具重量 7t荷载考虑，选定采用16t滑轮组及2倍率钢丝绳，作为导向和倍率转换使用。

4.2.2 竖井吊装起重卷扬机

（1）最大起重荷载及起升高度。上、下竖井管节安装按采用单管节运输和吊装方式，预留两节一组管节单元吊装载荷能力。考虑吊具、平衡梁和钢丝绳等重量，最大起重吊装载荷分别为（4.986t＋0.5＋0.5＋1.0）=7.0（t）和（5.776＋0.5＋0.5＋1.5）=8.28（t）。最大升降高度，上竖井≥120m，下竖井≥210m。

（2）工作方式：1）运行工况：空载上升、负载下降。2）工作方式：单机电动、手动操作。

（3）位置布置。竖井吊装卷扬机的洞内布置，应以尽量不影响洞内管节运输车辆安全通行和竖井管节吊装安全操作为原则，可布置在洞内两侧回车洞或专门开挖的卷扬机洞室内较为适宜。

（4）竖井吊装起重卷扬机选择。考虑竖井吊装起重卷扬机使用的安全可靠性、灵活便捷性、通用适应性和吊装工作效率及设备采购使用成本等因素，推荐选用型号为 JK-5型快速电动卷扬机，钢丝绳额定速度19～34m/min，钢丝绳直经d≥22mm，卷筒容绳量上竖井≥250m，下竖井≥450m。

天锚滑轮组按二节一组最大单组管节及吊索具重量8.5t考虑，选定采用 16t滑轮组及2～3倍率钢丝绳，作为起重倍率转换使用。

（5）竖井吊装卷扬机安装使用中应注意事项：1）天锚、卷扬机和滑轮组安装应牢固可靠，安装位置应在一直线，中间无障碍、视线通透，便于操作人员视觉观察。2）卷扬机应设置升降高度指示、偏差显示和过载保护等保护和警示装置，卷筒上钢丝绳的缠绕层数不应超过厂家规定。3）竖井天锚吊装系统安装完毕后，应按相关规定连同平衡梁一并进行荷载试验和安全鉴定合格，并配置相应的通讯、指挥和照明措施后，方可投入正式使用。

4.3 竖井管节吊装防止旋转装置设计

为防止和解决钢管管节在高竖井内吊装下放和空钩提升过程中，因上、下滑轮组之间距离较大和钢丝绳自旋力，引起系统钢丝绳和滑轮组扭转自转，造成钢丝绳缠绕死钩情况，确保被吊装管节安全、平稳的提升和下放，必须设置相应的防止管节吊装旋转装置。

5 竖井钢管安装施工的测量、照明及通讯

（1）管口高程和中心测量与控制。上、下竖井管节安装高程及水平度的测量与控制，采取长钢卷尺预先在竖井内壁上分段布设若干固定的高程控制点，然后在安装过程中，每安装 2～3节用水准仪对钢管管口的高程及水平度进行一次测量和调整。或采用高精度激光测距仪(如：BOSCH GLM250 VF型)，由竖井底部安装高程基准点，直接对各安装管节进行测量和控制。

竖井钢管安装中心位置，采用高精度激光投点仪（如：XOS4-JZY-41型）进行控制。将激光投点仪安置在竖井顶部（或底部），自上向下投点，并以此为基准中心线控制钢管安装中心。投点仪应定期用全站仪进行复测，并用底部已安装好的钢管中心进行校核，以控制钢管中心安装精度。

（2）施工照明。竖井洞内安装施工照明，采取在竖井顶部和底部各分别设置安装 1～2组大功率投射灯，作为主要施工照明措施，同时在安装作业平台上辅以布置若干低压手灯及高亮度手电筒进行局部补充照明。

（3）施工通讯。竖井洞内施工的上、下通讯，采用大功率对讲机进行联系。为确保洞内通讯畅通，每个工作面的对讲机配置数量不宜少于2台。

6 结 语

木星土水电站114m和200m高竖井内大型压力钢管起重吊装与安装技术，经安装单位工程实践应用证明，方案设计科学合理，设备选择和工装设计经济实用，安全可靠性和工作效率高，操作简单易行，工程投资省，得到了工程建设单位、监理单位和设计代表的高度评价和赞誉，取得了良好的经济效益和社会效益。也为其它同类水电站超深竖井压力钢管安装施工积累了经验。