李永锋 王正斌 李启中
中国水利水电第八工程局有限公司
摘要：高水头、深竖井的水电站压力钢管安装技术，与低水头的常规地下厂房压力钢管安装有不同技术特点，本文以厄瓜多尔美纳斯项目压力钢管安装为例，简介这类型钢管安装技术特点及难点，并介绍钢管快速安装技术，为水电站施工技术人员对同类型压力钢管的安装提供借鉴与参考。
关键词：超深垂直竖井；压力钢管安装；快速安装；方案优化
1工程简介
美纳斯项目位于厄瓜多尔昆卡市与马查拉市主公路沿线，距昆卡市公路里程90km，为引水发电项目。引水系统由大坝、引水隧洞、压力钢管等部分组成。其中压力钢管总长730.7m，总重3200.2t，除了岔管主体材质为ASTMA537 CLASE 2以外，其余的压力钢管材质均为ASTM A537 CLASE 1。按钢管布置位置可简单分为上平段、竖井段与下平段三个部分。
2压力钢管安装基本工艺及方案
2.1竖井施工平台设计
竖井施工平台根据布置位置自上而下依次为竖井防水平台、竖井安全防护平台、竖井钢管拼装焊接平台。
竖井防水平台主体采用型钢焊接成一个圆形结构卡接在上管口，上表面焊接钢板，中间开孔形成上下通道，并在人员不行走时安装风机保持井内气流。防水平台外侧周边搭设木板，防止落物威胁管外施工人员安全，平台与井壁用防雨布覆盖且紧贴井壁，在平台外缘位置开孔安装排水管，将平台上的积水引至管外，通过预埋的排水管排至尾水。
竖井防护平台采用型钢焊接成整体，平台分为上下两层，每层平台及上部防护平台焊接钢板防护，主要防止落物威胁井内及境外施工人员安全。两层平台之间通过楼梯保持上下行走，下层平台上开孔作为人员上下通道，井内施工时，使用20T门机吊起防护平台至防水平台正上方，保持合适的距离。人员需要上下时，通过门机1t副钩吊小吊笼至防护平台，人员通过防水平台、防护平台进入竖井拼装平台内。
拼装及焊接平台分为管内和管外两部分，管内施工平台为框架结构，分为4层、3层、2层三种，分别对应不同管节长度的钢管安装及焊接。拼装平台采用井口门机升降，施工时在钢管内壁焊接搭块，平台固定在搭块上，该区域钢管安装完成后用门机提起平台，割除搭块，平台随之上升至下一区域固定。管外施工平台采用脚手架钢管插接搭设，在钢管吊装之前，在每节钢管上管口下方约1m的位置焊接脚手架钢管，钢管就位后，人员搭乘楼梯，将施工平台与管外平台基础插接。
2.2天锚、地锚设计
土建浇筑下平洞底板混凝土之前，预埋下平洞轨道安装锚筋、卷扬机固定锚筋、导向轮固定锚筋，土建交面后，以锚筋为基础安装下平洞钢管运输轨道、卷扬机、导向轮。卷扬机布置在厂房至下平洞交通支洞内，布置两个导向轮，一个位于卸车室，用来运输竖井下弯管，一个位于3号机支洞端部，用来运输下平洞钢管。转运台车采用工字钢等型钢焊接而成，在台车底部安装轨道轮。运输钢管时，卷扬机放出钢丝绳至导向轮，钢丝绳导向后牵引至运输台车上，启动卷扬机牵引台车移动。
2.3压力钢管就位及加固
上平段压力钢管采用25t汽车起重机、30t液压平板拖车配合运输至调压井井口门机下方位置，采用门机卸车至EL.802平台。做好准备工作后，使用20t门机将钢管转运至EL.737.18平台上的转运台车上，使用台车将钢管转运至施工工位。运输蝶阀至安装工位，根据设计图纸安装蝶阀，就位调整完成后，浇筑二期砼。
蝶阀安装验收完成后，开始安装蝶阀上游侧第一节作为上游侧定位节，上游定位节与蝶阀安装调整完成后，采用型钢，将钢管与上平洞洞壁上土建锚固的钢筋可靠固定，并采用同样的方法安装上游第二节钢管，完成后以蝶阀侧下游侧第一节钢管为定位节，采用上游侧同样的方法安装剩余的钢管。
竖井钢管运输至井口门机吊装位置，采用门机卸车至EL.802平台，在钢管上管口合适的位置焊接吊耳，用来进行钢管吊装。
竖井段压力钢管安装最大的困难是下部弯管就位。竖井中心到弯管底部第1节出口的水平距离为11.588m，竖井底部的弯管有3个管节用龙门吊无法直接吊装就位。综合考虑：将第1节用台车从下平洞用台车运输就位；第2～3节采用台车、滑轮组与卷扬机就位；其余第4～7节钢管以及上面的直管、三通均采用井口20t龙门吊吊装就位。竖井底部弯管第2节、第三节就位示意如图1。
竖井第一节作为竖井钢管安装定位节，下弯管第1、2、3节钢管运输至竖井底部存放，运输竖井第1节至安装工位，调整好后加固，其安装偏差符合设计图纸和规范要求后。为确保钢管在混凝土浇灌时不产生变形和位移，在洞壁和管壁之间用型钢外支撑加固，加固方式与上平洞钢管加固方式相同。
竖井定位节砼强度达到要求后，采用35t天锚与滑轮组、5t手拉葫芦、16t千斤顶配合，依次完成下弯管1、2、3节管节就位调整，完成后使用井口门机吊装剩余下弯管组装节至安装工位，采用千斤顶、压码等工具依次调整就位剩余下弯管组装节，并采用型钢进行加固，加固完成后交由焊接施焊。焊接完成后进行焊后验收，浇筑砼。
2.4岔管安装及水压试验
将下平洞小岔管后的钢管及2、3号机支管依次运至卸车室，使用卸车室内布置的50t吊钩将钢管卸至运输台车上，通过卷扬机牵引运至安装工位摆放好。运输小岔管组装节至安装工位，调整合格后，采用型钢进行加固，加固方式与上平洞钢管加固方式相同，加固完成后交由焊接人员施焊。
岔管内部设计压力为6.149PMa，水压试验最高压力为7.68PMa。当岔管安装、焊接、无损检测完成，焊后验收合格后再进行水压试验。岔管底部采用25#工字钢支撑，工字钢与地锚、岔管焊接。整个打压完成后对岔管群进行整体加固。
管水压试验采用4个闷头板与4个管口焊接，闷头板厚和技术要求按照ASME推荐压力容器计算公式进行设计。在进口闷头上布置进水管、排气孔、加压管、泄水管及进人孔。水压试验采用10Mpa的电动加压泵，逐步升压。水源利用附近土建施工水源。水压试验完成后，首先卸压，然后将岔管内的水排空，进行闷头切割，并切割掉焊接热影响区约150mm的余量。
整个水压试验过程中应无渗水和其他异常情况。试验过程中如出现泄漏和其它异常现象应立即停止加压，需要处理时必须在卸压后进行。试验无异常后，打开排水阀门通过将水排至尾水廊道，最后使用潜水泵将低于排水孔的水抽出。
岔管安装与水压试验完成，验收合格后，回填二期混凝土，回填二期混凝土过程中，需要派专人监测，防止岔管位移，岔管回填混凝土完成后，进行再次测量验收，将以此作为定位节安装数据，以此为基准安装岔管上、下游管节。
2.5压力钢管焊接
由于压力钢管安装洞室开挖断面较小，洞内很狭窄。受此条件限制，压力钢管安装的所有工地焊缝只能采用手工焊接方式进行。
对于壁厚≥38mm的压力钢管需进行焊前预热与焊后热处理。定位焊可以采用火焰预热，预热温度控制在95～100?C；焊接预热采用温控柜控制，履带式加热片加温，对焊接区域及其附近200mm范围内进行预热，焊前加温温度控制在95～100?C；焊接最高层间温度控制：≤210?C；压力钢管焊接完成后应立即进行后热保温1小时以上，后热温度控制在180～200?C。具体的温度控制可根据焊接工艺评定结果进行适当调整。温度控制使用红外线测温仪进行监测。
采用4至6名焊工，以压力钢管中心线对称施焊，焊接顺序见示意图H。在进行打底焊接时采用小的焊条，焊道宽度不得大于3倍焊条直径。当主缝焊接至焊缝深度的50%～80%时，进行与焊接，背缝焊接完成后，再将主缝焊接完成。
焊接纵缝时为防止产生锥度，打底焊采取分段跳焊方式进行。为避免每层焊缝接头过多，打底焊以后各层焊接需避开上层焊缝接头；当主缝焊到50%～80%厚度后，进行背缝清根与焊接，当背缝焊接2～3层后，用弧度样板进行弧度检查，根据所测的结果，调整焊接位置（当弧度变小时，焊接压力钢管内表面，当弧度变大时，焊接压力钢管外表面），直到将纵缝焊接完成。
3压力钢管施工难点与对策
3.1上平洞压力钢管洞内运输、就位难度大
根据设计方给出的设计概念图，上平洞钢管通过调压井上管口平台作为运输平台，布置轨道及台车运至上平洞内就位安装。但实际上该平台位置狭小，无台车布置空间，且此种运输方式会影响竖井钢管施工，造成的工期影响得不偿失。
为了弥补缺陷，经过现场实际勘察后，决定在竖井上管口EL.737.18平台上制作并安装一个上平洞钢管转运平台（可整体吊装及拆除），上平洞钢管安装安排在竖井钢管安装间隙进行，尽量减少上平洞钢管施工对竖井钢管施工的影响。
3.2竖井钢管施工安全措施实施困难
美纳斯项目竖井钢管垂直吊装最大深度521m（门机高程EL.802m），竖井地质条件太差，渗水严重，且经常有落石，严重影响竖井焊接质量及威胁井内人员施工安全。且受厂房空气温度影响，竖井内气流方向多变，甚至在中午11点-1点，凌晨11点-2点区间段井内空气不流通，加上井内有焊接、切割等作业，耗氧量大，井内施工人员容易窒息、眩晕等。为了消除上述影响，每一循环钢管吊装完成后，在上管口设置一个防水平台，平台中心位置设置进人口，在进人口位置布置风机，保证竖井空气流通。在防水平台上方设计并布置一个防护平台，防止落石及井口坠物威胁井内施工人员安全。
3.3竖井高度太深，钢管吊装就位与安装困难
由于竖井较深，土建施工难度大，造成竖井施工完成后局部部位倾斜较大，钢管按照设计及标准按照时，无法保证调整、焊接空间，且钢管吊装过程中会刮擦井壁，造成非常大的安全隐患。为了消除井壁倾斜影响，在竖井垂直段钢管就位及调整之前，测量井壁倾斜值，钢管根据井壁倾斜情况整体考虑，不断的调整钢管安装垂直度（通过切割下管口实现），在保证安装质量的情况下保证钢管的调整及焊接空间。
竖井下弯管上管口距下管口水平距离11.588m，竖井下弯管第二、第三节无法使用井口20t门机就位，且下弯管施工距离狭校为了消除上述影响，在竖井下弯管部位顶部洞壁上布置一个35t天锚，使用动滑轮固定在天锚上，消除空间狭小的影响，下弯管第2、第3节钢管通过下平洞台车运输至安装工位后，使用卷扬机、动滑轮、35t天锚配合，将钢管吊起，撤出台车，使用千斤顶、卷扬机、动滑轮、天锚配合调整就位。
3.4岔管运输及就位难度大
下平洞压力钢管共有2个岔管，每个岔管分三节运输至工位，现场拼装焊接。但由于岔管位置空间狭小，岔管在安装工位无法进行翻身及调整，为了消除上述影响，在下平洞卸车室顶部、底板以及岔管安装工位顶部、底板布置天锚及地锚。岔管拼装节运至卸车室后，使用卸车室内的天锚及地锚配合卸车及翻身，运至工位后，使用工位的天锚及地锚调整、拼装。
3.5工期紧张，工序衔接及协调难度大
由于压力竖井位置地质条件差，土建施工难度大，压力钢管交面滞后了两年零两个月时间，造成压力钢管施工工期压力大，赶工形势严峻。为了压缩施工工期，将竖井钢管施工作为施工主线，上、下平洞施工交替穿插进行施工，保证上、下平洞与竖井同步完成施工。调整竖井施工工序，将原12m一安装循环变更为18m一安装循环（增加单循环作业时间，为后续并行施工提供操作空间，并减少施工准备时间），并在钢管施工平台顶部挂设灌浆及灌浆孔封堵平台，在本循环钢管安装期间，进行上一个循环钢管的接触灌浆及灌浆孔封堵，将灌浆及灌浆孔封堵与竖井钢管施工并行作业。
4压力钢管快速安装方案优化
与普通压力钢管安装不同的是，超深竖井压力钢管施工无法实现多工作面并行作业，只有自下而上依次安装。超深竖井压力钢管安装质量及安装过程中安全防护是可以有效控制的，但如何在单线作业的前提下，在保证安全及质量的前提下，尽量压缩施工工期成为超深压力竖井施工过程控制的要点。在保证安全及质量的前提下，美纳斯项目主要通过如下手段压缩施工工期。
4.1单循环施工优化
在竖井施工过程中，土建与机电的配合也相当重要。在竖井钢管施工前，土建和机电可以根据土建砼浇筑深度，单循环钢管施工准备时间（防水、防落石等）以及项目工期压力，综合考虑竖井钢管安装单循环施工高度。
美纳斯项目竖井钢管原施工高度为12m，即3m长管节4节一循环，4.5m管节3节一循环，6m管节2节一循环。由于竖井渗水较大，空气流通方向多变，单循环施工准备时间（防水、防落石、通风）较长且不会随着单循环高度的变化而变化（基本上3天）。因此，减少施工循环数能够极大的缩短施工工期。经项目土建及机电协商，将单循环高度由12m变更为18m，即3m长管节6节一循环，4.5m管节4节一循环，6m长管节3节一循环，共减少循环数为10个，节省30天工期，且未发生任何安全及质量事故，效益明显。因此，其他类似的项目可在施工之前就确定单循环施工高度，节省工期。
4.2工序协调优化
竖井钢管安装过程中，受钢管材料及钢管与砼接触面处理的影响，钢管安装中可能会有钢管安装、钢管焊接、钢管热处理、砼浇筑、接触灌浆、灌浆孔封堵等工序，这些工序理论上是依次施工的工序，必须占用直线工期，但在施工之前，可以改善外在施工条件。例如，在选取吊装设备之前，预留部分吊装容量；在制作施工平台时，适当的考虑增加负荷量，为以后变更工序提供载荷变更空间。
美纳斯项目原施工工序与前面提到的相同，由于工期紧张，怎样在保证安全及质量的前提下，保证将工期压缩至最短成为钢管安装过程中项目研究的重点。后来在土建及机电多次推敲下，在竖井原施工平台下方，再吊装一个灌浆及灌浆孔封堵平台，该平台与原平台高度一致，但结构简化，重量较轻，不影响门机在安全状态下运行。平台增加后，钢管热处理施工在原有平台上施工，灌浆及灌浆孔封堵在新增加的平台上施工，两个工作同时进行，压缩了两个工序的施工工期，且未发生任何质量及安全事故，效益明显。
5结论
美纳斯项目垂直压力竖井井内地质结构较差，渗水较大，落石时有发生，且竖井倾斜度较大，且460m垂直深度的压力竖井，在国内外水电项目建设史上也是非常罕见的。由于美纳斯项目压力竖井选址位置地质条件较差，土建施工完成后井内渗水及落石严重，且井内局部区域井壁倾斜严重，加之土建施工工期滞后，压力钢管安装工期压力大。为此，美纳斯项目采取上述方案已经完成竖井压力钢管施工，在增加了钢管热处理工序的情况下，仅用了370天就完成了竖井压力钢管施工，比合同工期540天缩短了170天。整个竖井施工过程中，未发生任何安全及质量事故，且竖井充水、放水试验完成后，也未发现任何安装缺陷，上述成果的展示，说明安装本方案执行的美纳斯项目超深竖井压力钢管安装成果是完美的，方案中阐述的所有措施及工艺均在实践中得到了运用，是切实可行的。因此，采用上述方案可以进行相同条件下的垂直竖井钢管施工，具有非常大的推广前景。
论文作者:李永锋 王正斌 李启中
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：竖井论文; 钢管论文; 压力论文; 平台论文; 工期论文; 土建论文; 台车论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;