三江口水电站隧洞内压力钢管运输倒装技术的实践

戴钧

（云南开远一行电力有限责任公司，云南 开远 661600）

三江口水电站隧洞内压力钢管运输倒装技术的实践

戴钧

（云南开远一行电力有限责任公司，云南 开远 661600）

介绍了采用“卷扬机--滑车组—台车”系统将压力钢管管节运至安装位置固定后再用手拉葫芦、千斤顶等工具调整钢管管节，按照设计图纸要求就位的施工技术。解决了三江口水电站隧洞内大直径压力钢管φ7 500 mm在大倾角42°斜面上倒装压力钢管运输、安装的难题;为水电站压力钢管的安装施工技术积累了经验。

三江口水电站；隧洞内大直径钢管；运输；倒装技术

1 概况

三江口水电站位于云南省墨江县泗南江乡附近、泗南江－阿墨江汇口以上约0.7 km的阿墨江河段上。电站开发方式为堤坝式，开发任务以发电为主。总库容0.845 2亿m3，水库具有日调节性能。额定装机容量99 MW（最大出力108 MW），保证出力33 MW、多年平均发电量4.24亿kW·h，年利用小时数4 000 h。

三江口水电站压力钢管由主管、主岔管、次岔管、三个支管、加劲环等组成（见图1)，材料为16MnR。总净重量为960 t。

本文主要介绍隧洞内压力钢管运输、安装技术。

图1 三江口水电站压力管道示意图

2 隧洞内压力钢管

隧洞内压力钢管由上弯段、斜井段、下弯段、下平段组成，布置见图2所示。

图2 三江口水电站隧洞内压力钢管安装图

隧洞内压力钢管工程量见下页表1。

3 隧洞内压力钢管运输、安装难点

（1）斜井段坡度为42°。

（2）压力钢管设计管径为φ7 500 mm，整条钢管无支墩和支座；

（3）受施工条件限制压力钢管不能从下游向上游顺序安装，只能由下游洞口向上游运输到位固定后再顺序安装；管节重量造成运输、固定难度较大。

（4）隧洞设计混凝土衬砌后洞径为φ8 500 mm,与压力钢管单面间隙仅有500 mm；

（5）隧洞开挖成形差，部分洞身偏离轴线，局部凸出150～300 mm；斜井段洞径底部局部偏差有500～800 mm凹坑；斜井段表面喷浆保护，水平段部分混凝土衬砌。

4 核算卷扬机牵引力和牵引钢丝绳

为实现钢管在隧洞内运输，采用卷扬机牵引运输台车完成钢管运输就位,需要确定卷扬机的牵引力大小，来确保卷扬机功率满足钢管安全、可靠、稳定运输。

表1 隧洞内压力钢管工程量

4.1 核算卷扬机牵引力

运输台车承载钢管节在运输过程中，需要的牵引力随着运动轨迹而变化，牵引力需要克服运输台车的运行阻力和导向滑轮阻力,从受力分析见图3可知，台车承载钢管运输过程中起动时的摩擦阻力大于运动中的动摩擦力,在静力条件下所需要克服阻力最大，在静力条件下卷扬机牵引力计算加下：

图3 运输台车承载钢管节受力分析图

卷扬机牵引力的计算:

式中：P－卷扬机牵引力;Pf－卷扬机运行的摩擦阻力;PP－自制台车重力的斜坡分力;Pμ－牵引钢丝绳通过导向滑轮的阻力。

卷扬机运行的摩擦阻力:

式中：G1--钢管管节重量，取单重最大;即(11.8+1.17)×2=25.94 t（两单节组成）;G2--自制台车重量5 t；α--管道坡度与水平面夹角α=420；μ--轴承摩擦系数，滑动轴承μ=0.08；D--车轮直径400 mm；d--轮轴直径100 mm；K--滚动摩擦系数,钢轨为平头钢轨，车轮直径400～500 mm，车轮材料铸钢，μ=0.5；Kf--轮缘附加摩擦阻力系数；对于滚动轴承，Kf=1.5～2.0;对于滑动轴承，Kf=1.2～1.3；有弯道时取大值;

自制台车重力的斜坡分力：

式中：G3—钢丝绳在管道坡上的最大长度的重量,钢丝绳规格型号6w（19）-1 550；Q－钢丝绳单位长度的重量0.4 093 kg/m;Lmax－管道坡的总长70 m；

牵引钢丝绳通过导向滑轮的阻力：

式中:ε—滑轮阻力系数,采用滚动轴承ε=0.02，采用滑动轴承ε=0.05；n—导向滑轮数;Pμ---牵引钢丝绳通过导向滑轮的阻力;

故在静力条件下,卷扬机的牵引力：

在实际运用中考虑各种不可预见因素，取实际牵引力为理论计算的1.5倍以上。由此选择卷扬机的牵升力为100 kN(10 t)的2台，2组动滑轮,组成钢管在弯道上运输的动力。

4.2 校核牵引钢丝绳

选择牵引钢丝绳为直径d＝34 mm,牵引钢丝绳的破断拉力：

安全系数K＝8时，牵引钢丝绳允许拉力：

故选择牵引钢丝绳为直径d＝34 mm，满足要求。

5 隧洞压力钢管牵引运输方案

5.1 水平段牵引运输方案

水平段采用一台80 kN(8 t)卷扬机作牵引动力，在编号为105号管节位置处设一个转向定滑轮（如图4示），该定滑轮用一组三棵直径φ40 mm，长1 500 mm的锚桩固定在隧洞底部，卷扬机安装在洞口外靠近副厂房的附近位置，固定方式为卷扬机前面打两棵直径φ40 mm长1 200 mm的锚桩，后面打两组（一组三棵直径φ30 mm长1 200 mm）的桩稳住。该定滑轮在水平段钢管道安装过程中，随着钢管二次混疑土的浇灌逐步依次外移。

图4 隧洞水平段压力钢管牵引运输示意图

5.2 斜井段的牵引运输方案

斜井段采用“卷扬机—滑车组—台车”牵引方案。

若釆用一台200 kN(20 t)卷扬机作为牵引动力，其优点是：结构紧凑、占地面积小；缺点是单一重量为6.5 t，不易搬运，特别是在隧洞内斜坡上搬动难度更大；

若用2台100 kN(10 t)卷扬机作为牵引动力，其优点是单一重量仅为1.8 t，与200 kN(20 t)卷扬机相比在隧洞内斜坡上搬动较容易；缺点是占地面积大、2台卷扬机速度同步有偏差；

由此，斜井段的牵引运输选用2台100 kN(10 t)卷扬机作牵引动力，在每台卷扬机的前方装设2个20 t的平衡滑轮，在编号为84号管节位置处两侧壁上（高度约为3.8 m）各设置一组10 t的双槽导向滑轮（该位置处同时要分别挂10 t手拉葫芦，当钢管段到达该位置时解除牵引钢绳前固定管节用），然后再通过两组动滑轮与钢管相连（如图5示）。本方案中，受力最大的是2个平衡轮，每个平衡轮受力为15 t，因此，固定每个平衡轮的锚桩所受横向力不得小15t，每台卷扬机的受力不小于8 t，固定每台卷扬机的桩锚能承受的拉力不得低于10 t。

图5 隧洞斜井段压力钢管牵引运输示意图

6 隧洞内压力钢管运输、安装

6.1 运输、安装前准备工作

6.1.1 隧洞内压力钢管运输安装设备、器具

隧洞内压力钢管运输安装设备、器具见表2:

表2 压力钢管安装用设备器具

6.1.2 地锚、天锚的设置

铺设轨道前，装设地锚、天锚。

1）安装固定钢管的天锚见图6。按每2个管节组成一安装单元的数量布置共36套天锚(左、右对称)；在隧洞两侧打孔φ40mm，深3.1m，安装φ28mm，长3 m的螺纹钢，端部露出120～150 mm，二次灌浆锚固。其次，焊接三角块（带φ20 mm圆钢弯制的吊耳）于φ28 mm螺纹钢端部。用来固定临时摆放的上弯管、斜直管、下弯管的安装单元；安装管节单元时调整其几何中心。

图6 隧洞斜井段固定钢管天锚安装图

2）安装固定导向滑轮的天锚。在引水道0+159.502 m～0+222.036处设置12组(每组4处)天锚；用风钻钻出4个深4 m直径φ40的两组锚孔。锚孔相距1.5 m，斜向上游约30°，在锚孔内分别埋入4棵φ32×4 m的螺纹钢(需露出150～200 mm钢筋)，注人膨胀药固定。在钢筋头上焊环形钢筋，分别挂上4个10 t两轮定滑车,即导向轮、动滑轮各2个。

3）安装固定卷扬机的地锚。在上游距引0+147.540 m处装2组地锚固定100 kN(10 t)吨卷扬机。

4）安装斜井段始装节天锚。在斜井段始装节上游约2 m处装一组天锚在隧洞的腰线处；

5）安装下平段天锚。在下平段中心线的延长线与洞壁交点处的腰线相应位置的隧洞内设置天锚,用来调整钢管管口中心。

6.1.3 钢管安装控制点设置

安装控制点按两点一线或三点一面的原则设置，以控制管口的水平度与轴线的垂直度；同时还需要增加一点校验复核用。因此每钢管节的上、下游管口分设4个控制点标记。由专职人员使用经纬仪等，将控制点设在预埋于两侧和底部混凝土中的小铁板上或平整的混凝土面上，用洋冲眼和红铅油明显标注，并注意保护，防止因磨损或水冲而丢失。

由于斜直段隧洞约有42°倾角，钢管能否安全运输直接影响整个安装工作。先根据始装节的上游管底测量控制点，测放出斜直段的终点管底高程，将此与斜直段的起点管底控制点相连即为斜直段的管底中心线，以此定位斜直段。

1）水平管、下弯管的下半部份，上弯管的上半部分及进水口的斜平段，4个安装点是：上、下垂线作为2个点，水平线向下平移2 m作为2个点，其中上垂点作校对用，其余3点为安装点。

2）上弯管的下半部份，下弯管的上半部份，斜直段的十字线作为4个点控制。弯管段上顶、下底、左平、右平点为控制点。

3）安装点线的误差＜1 mm。

4）管口上的安装点线，在压环缝时多少会发生一些偏移，宜在管段定位后重新测定修正管口下垂中心点，再按实际管口外圆周长分出或测定中心点。

6.1.4 轨道安装

轨道安装前，应先找出钢管的中心高程、起始点、转角点位置,并做好标记。应按图纸检查地面高程，不符合要求的需进行处理。水平段采用43 kg/m的重型钢轨，斜井段采用20号工字钢做轨道。因在斜井段有两个中心半径R30 m、角度分别为43°和48°的弯管，因此，在钢轨铺设前将该位置处的轨道先按其半径和角度冷煨成型。

为使钢管顺利滑移就位，轨道以管道中心线为基准铺设，中心距为3 700 mm，轨道中心线与钢管安装中心线重合，其误差小于5 mm；安装时，从距离隧洞出口8 m处开始，从水平段隧洞口开始向里安装;轨顶高程尺寸控制在以低于该位置处钢管加劲环20～50 mm为宜，轨道下钢枕间距为600～800 mm；钢轨联接采用鱼尾板和螺栓连接，工字钢采用连接腹板焊接。一侧轨道安装完毕，再按跨距安装另一侧。斜井段轨道需承受该段上所有钢管的重量；故每间隔1.5～2.5 m（视现场地形确定），其下面用型钢支撑牢固;钢管节停放位置支撑受力点按珩架结构增加斜支撑加固，防止轨道变形。

6.2 隧洞内钢管的运输、安装

6.2.1 隧洞钢管运输安装顺序

隧洞钢管的安装分两个工作面进行，以编号为114号管节为分断点——始装节，从此往上游为斜井段安装，往下游为水平段安装，两个工作面的钢管运输皆从副厂房旁的隧洞口进入，隧道内钢管运输的顺序为上弯管——斜井段——下弯管——水平段。6.2.2隧洞钢管安装流程

1）114号管节安装→二次混凝土浇灌→下弯管下段安装→二次浇灌→下弯管上段安装→二次浇灌→上弯管下段安装→二次浇灌→上弯管上段安装→二次浇灌；

2）114号管节安装→水平段上游段安装→二次浇灌→水平段下游段安装→二次浇灌。

6.2.3 钢管安装

钢管安装的要点是控制中心、高程、里程、桩号和环缝间隙。安装时，利用千斤顶顶动钢管，使其下中心对准底下的控制点。对准后，再用千斤顶将钢管均匀顶至要求的高程，焊上临时支腿，撤去千斤顶重新检查中心、里程和倾斜度。将始装节的上、下游管口的几何中心误差调整至5 mm以内（运用中垂线原理，采用水平仪、吊线锤、钢卷尺）便可将临时活动支腿焊死，若有误差，进一步调整。这样反复数次，中心、里程偏差在规范要求之内时，即可将临时支腿焊固。使用型钢将钢管固定于预埋的型钢和锚筋上。人工压码对缝，焊接完成安装。加固后，再复检中心高程、里程和倾斜，作出记录。

钢管安装必须满足DL/T5017-2007《水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范》。

6.2.4 压力钢管安装时，需要注意以下几点：

1）整条压力钢管设计无伸缩节。故支管安装精度要求高。在安装时，以与水轮机组蝴蝶阀轴线为中心，逐步向后安装。所采取的措施是:

a.核实水轮机机组中心位置和高程，准确核出支管、主管安装中心高程。

b.在支管安装点设置安装钢马櫈。

2）安装过程中，除钢管制作、安装引起中心偏差外，还可能有下列现象发生：

a.外部支撑不牢固或支撑点岩石松动等，钢管在自重的作用下引起位移偏差。

b.在混凝土浇筑时外部支撑不牢，钢管发生位移而使中心产生偏差;

c.钢管安装较长后才浇筑混凝土。这时钢管越长重量就越大,间隔时间很长，发生a现象的可能性增加。

对上述三种情况，应作以下处理：

a.外部支撑设计施工时尽可能稳定、可靠,防止混凝土浇筑时的上浮和左右侧向位移等。

b.缩短混凝土浇筑周期。安装钢管长度为15～18m时浇筑一次混凝土。钢管安装后7 d即浇筑混凝土。从而减少外部因素影响引起钢管中心偏移的可能性。

3）斜井段上钢管在下滑的过程中容易偏移、侧翻，需根据实际情况，在洞侧壁打上锚筋挂手拉葫芦，以此来调整控制导向，使钢管能正常、安全的下滑到位。

4）弯管安装时要注意各节弯管下管口中心的吻合，当下弯管吊入就位后，将其下中心对准首装节中心，使用千斤顶、手拉葫芦等调整环缝间隙、高程、桩号、里程及环缝错边等。弯管安装2～3节就应及时检查调整高程、里程、桩号等，以免造成误差累积，处理困难，并在二次混凝土浇灌后复查。

6.3 斜井段钢管运输固定就位

（1）斜井段钢管安装考虑运输负荷和安装效率，减少洞内焊接工作量，每个运输管节由两单元管节焊接组合成，共有17.5件。钢管在隧洞外装上钢管运输台车，捆扎牢固后，用水平段卷扬机拉运至编号为105号管节处，然后换为斜井段卷扬机进行牵引至存放位置处。其中第1件（79号、80号）、第2件（81号、82号）、第3件（83号、84号）钢管应存放到渐变段位置处，以后各件按顺序依次拉入存放位置，存放时相邻两件管口留200～300 mm间隙，导向滑轮处为了不影响钢管拖运，该处与管口距离可为1 000 mm。

（2）钢管在斜井段的拖运过程中，运输台车运行的角度随钢管而变动,坡度的变化其重心也不断变化;为防止运输台车钢管产生倾倒，在钢管上端采用2个5 t手拉葫芦对牵引绳进行调整,以此来改变运输台车的牵引角度保证运输台车运行顺畅。

（3）钢管拉至摆放位置后，用钢绳将钢管分别固定到隧洞侧壁的锚桩上，用千斤顶将钢管顶离运输台车，当运输台车加劲环越过小车位置后，用葫芦牵引将运输台车退出，然后收起千斤顶，把管子缓慢放至轨道上。用三角挡块止定，三角挡块与轨道外壁及加劲环焊牢，然后松开卷扬机；在钢管放至轨道之前，不能卸去卷扬机的牵引力，以防意外产生。

（4）斜井段所有的钢管拉运摆放固定完成后，开始安装始装管节（114号、115号），始装节钢管里程偏差不应超过10 mm，中心偏差不超过25 mm，两管口垂直度偏差不超过3 mm。各部位尺寸检验合格、钢管加固、探伤检验合格后，交相关部门验收，土建浇灌混疑土保养到期后;斜井段开始向上游安装钢管。

6.4 水平段钢管的运输、安装

利用4个10 t千斤顶和与管壳具有相同弧度的托粱将安装单元托起，将4只铁鞋安放在加劲环上(前后各安放2只)，同时将就位运输台车与安装单元相连，用卷扬机牵引装置通过钢丝绳将安装单元就位。在内支撑上搭建脚手架，安装压缝装置。使用千斤顶和手拉葫芦调整安装单元的位置，测量安装单元的桩号、高程、中心位置和管口圆度，使其满足设计要求。定位焊，并安装外支撑；正式焊接前再次复检以确认其桩号、高程、中心位置和管口圆度均满足设计要求。

6.5 环缝焊接

按DL/T5017-2007《水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范》实施。

6.6 隧洞钢管安装特殊安全措施

（1）斜井段为42°陡坡，施工人员在此坡度工作站立困难，且安装过程中人员上下频繁，故斜井段钢管安装前，先完成如下安全设施：

1）进出斜井段行走爬梯。

2）为防止斜井段安装过程中杂物落下伤及下游安装人员，在钢管始装节（靠下弯管位置的第一节直管）安装完成并浇筑混凝土后，在其内壁焊接米字形挡板，并用脚踏板封堵管节断面。米字形挡板用规格为L100×8的角钢或其它材料制造，封堵脚踏板（方木）厚度不小于50 mm。

3）搭设管内施工活动操作平台（含封堵板）及管外壁临时施工平台，其平台搭设应牢固可靠，踏板平稳固定。

（2）在钢管上拉和下滑过程中，要有随钢管同行的监视人员，监视人员位置处于钢管上方，不能站在钢管下面和侧面。钢管在移动过程中，不允许施工人员在下面作业。

（3）卷扬机、手拉葫芦是隧洞安装过程中重要的设备，必须明确专人负责操作，操作人员要精神集中，听从指挥，发现异常情况应立即停车。整个运输过程由专人负责施号运输，操作人员采用对讲机联络，并在施工前对各有关人员统一号令方式；在转弯改向、改换滑轮、改换卷扬机、管节安装位置均设专人看守，确保运输过程联络畅通及运输安全。

（4）在正式运输钢管前,现场预先做空载运输试验，空载运输试验无异常后，再做有载荷运输试验,试验完成无异常后，认真检查卷扬机、锚桩、滑轮、轨道、钢丝绳的运行情况，发现不顺畅或缺陷立即整改或改进，确保运输工作安全、顺利就位。

7 结论

通过上述隧洞钢管运输、安装技术方案的实践,用“卷扬机一滑车组一台车”系统将压力钢管管节滑运至安装位置固定后，再用手拉葫芦、千斤顶等工具调整钢管，按照设计图纸要求就位的施工技术，解决了三江口水电站隧洞内大直径钢管φ7500 mm在大倾角42°的斜面倒装压力钢管运输、安装的难点，为水电站压力钢管的安装施工技术积累了经验。

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[5]技工学校机械系通用教材编审委员会.焊工工艺学[M].北京：机械工业出版社，1980

[6]DL/T5017-2007水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范[S].

[7]云南开远电力修造公司.三江口电站压力钢管制造及安装技术文件[Z],2008.

TV547.2

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1672-5387（2017）08-0048-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.015

2017-04-25

戴 钧（1961-），男，高级工程师，从事机械加工、水工金属结构制造安装及检修技术管理工作。