出水竖井倒挂压力管道及混凝土快速施工技术.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER170第 39 卷第 8 期0 引言出水竖井开挖支护施工技术在目前国内外已经做了大量研究，并取得显著成效，技术措施先进可行，在压力管道安装及后续混凝土快速施工方面研究较少。大直径（深）出水竖井往往采用压力管道及外包混凝土施工作为主要输水结构，为水源输水工程重要分部分项工程，该部位因施工环节较多，内外高差较大，施工空间受限，不可控因素显著。通过研究出水竖井压力管道安装及混凝土浇筑快速施工技术，为解决输水线路卡脖子工程提供技术参考，同时形成快速施工理论知识和实战经验。1 工程概况山西中部引黄工程位于山西省忻州市保德县境内，工程包括取水工程和输水工程。取水工程从取水口至地下泵房，沿线长约 2.5 km。主要建筑物包括取水口、1 号引水隧洞、沉沙池旁通洞、2 号引水隧洞、沉沙池、放空洞、地下泵站、进水池、进水池泄水洞、放空洞、引出水压力管道、出水池等建筑物。地下泵站位于取水工程的末端，设计取水流量 23.55 m3/s。输水范围包括四市 16 个出水竖井倒挂压力管道及混凝土快速施工技术胡传安，万新（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）摘要：大直径（深）出水竖井往往采用压力管道及外包混凝土施工作为主要输水结构，该部位因施工环节较多，内外高差较大，施工空间受限，不可控因素显著。山西中部引黄工程出水竖井采用倒挂压力管道安装及倒挂混凝土施工技术，通过整合压力管道安装及混凝土施工技术，在有限施工空间内采取工程措施以克服交叉作业难题，极大的减缓了安全生产风险，同时加快了施工进度，为后续工作面展开创造了条件。关键词：出水竖井；压力管道；混凝土；倒挂施工中图分类号：TV547+.2；TV554+.14文献标识码：B文章编号：1006-3951(2023)08-0170-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.038Rapid Construction Technology for Inverted Pressure Pipeline and Concrete in Water Outlet Vertical WellHU Chuan-an,WAN Xin(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:Large diameter water outlet shafts often use pressure pipes and external concrete construction as the main water delivery structure.Due to the numerous construction stages,significant internal and external height differences,limited construction space,and significant uncontrollable factors in this area.The outlet shaft of Shanxi Central Yellow River Diversion Project adopts inverted pressure pipeline installation and inverted concrete construction technology.By integrating pressure pipeline installation and concrete construction technology,it adopts engineering measures within limited construction space to overcome cross operation problems,greatly reducing safety production risks,and accelerating construction progress,creating conditions for subsequent work face development.Key words:water outlet shaft;pressure pipeline;concrete;inverted construction收稿日期：2023-05-11作者简介：胡传安（1975-），男，云南玉溪人，高级工程师，主要从事水利水电工程施工管理工作。*胡传安，万新 出水竖井倒挂压力管道及混凝土快速施工技术171县（市/区），规划年供水 6.02108m31。出水压力管道安装完成后标准断面直径 4 m，开挖完成断面 5.2 m，由出水竖井段、下弯段、下平段组成，压力管道外侧采用 C15W6F50 浇筑厚度 60 cm。出水竖井段顶部与出水池连接，竖井顶高程 1 023.96 m，底高程 828.50 m。下弯段半径20 m，长 31.416 m，下平段长 83.83 m。出水竖井段 195.46 m 已贯通，下弯段、下平段受地下涌水影响工作面停滞，为推进工程进度，保证出水总管预留时间，采用倒挂压力管道及混凝土施工技术优先施工出水压力管道竖井段。2 特点及难点1）出水压力管道下弯段未施工，出水竖井压力管道、混凝土底部无支撑点，回填混凝土设计强度偏低，单节压力管道 2 m 高，单节最大重量6.496 t，施工难度大，存在较大安全风险。2）压力钢管吊装、组对、定位焊、焊接、割除附件、无损检测、消缺处理、防腐处理等各工序复杂，管道深度较深，操作难度大。3）该段竖井施工工期紧，任务重，人员调配直接影响出水总管压力管道生产、安装。3 施工方案及工艺流程3.1 施工方案为保证出水竖井压力管道安装及混凝土快速施工，根据出水竖井压力管道安装计划，从836.5 m高度开始压力钢管定位节（836.5828.5 m高度预留下弯段作业空间），衬砌混凝土从 837 m（预留 50 cm 压力钢管焊接高度）开始浇筑，分仓高度 1.4 8 m，累计分仓 29 仓，混凝土浇筑时每仓上部预留 50 cm 焊接压力钢管，混凝土入仓均采用溜管垂直入仓。3.2 混凝土施工工艺流程第 1 仓（定位节压力管道施工示意图见图 1）混凝土浇筑时，需在出水竖井 836.5 m 高度以下搭设满堂脚手架、安装出水竖井衬砌混凝土底模，满堂脚手架采用48 mm，壁厚3.5 mm钢管搭设，间排距为 60 cm，步距 80 cm，底模下部脚手架间排距为 30 cm，内设剪刀撑，底模采用木模板拼装，为满足 836.5 m 高度以下 1 节压力钢管安装焊接要求，底模安装高程抬高至 837 m 高程，浇筑高度为 1.5 2.9 m（为出水压力钢管第 2 节预留 60 cm的焊接空间），另外为确保出水竖井 837 m 高程以下一仓衬砌混凝土浇筑密实，底模向一侧倾斜15控制，使 837 高程下一仓衬砌混凝土浇筑时混凝土能自流密实，采用 C22 锚杆将压力管道与系统锚杆焊接牢靠，为提高混凝土强度，前两仓混凝土采用 C25W6F50 浇筑2。出水竖井压力管道混凝土采用溜管垂直运输，溜管采用200 mm 钢管制作，每隔 9 m 设置 1 个缓降器，溜管用28 mm 钢丝绳将溜管串联成整体，并用钢筋把溜管与锚杆或插筋焊接牢固，最后将钢丝绳固定在井口起吊梁柱基础上。?图 1 定位节压力管道施工示意图 cm3.3 压力管道安装工艺流程3.3.1 天轮架及卷扬起吊系统安装根据竖井井口尺寸确定天轮架基础尺寸，天轮架基础轮廓尺寸大于竖井直径约 500 mm，大于压力钢管直径约 1 000 mm。天轮架高度根据压力钢管安装单元尺寸确定，原则为压力钢管安装单元高度、动滑轮装置高度、钢丝绳工作高度、定滑172云南水力发电2023 年第 8 期轮装置高度总和之后，再预留约1.52 m的空间。出水竖井直径 5.2 m，压力钢管内径 4 m，压力钢管安装单元高度 4 m，采用 H 型钢规格为宽翼缘 HW3501219 型钢。天轮架钢结构采用宽翼缘 HW3501219 型钢焊接。天轮架宽翼缘HW3501219 型钢抗弯截量 Wx=2 300，其承载能力相当于 45a 工字钢，在跨距 3m 时能承载53 t，跨足达到 4 m 时能承载 30 t。根据出水竖井天轮架结构图（见图2），滑车组使用2根跨度1.8 m的 H 型钢固定，其承载能力大于 53 t，也远大于出水竖井吊装重物重量（钢管6.496 t，考虑钢丝绳、其他附件等综合因素总重约 15 t）3。?图 2 天轮架安装示意图3.3.2 压力管道运输台车加工使用20a 槽钢和 I20a 工字钢焊接，连接处使用 20mm 钢板焊接形成压力管道运输台车（见图 3），简易台车滑轮直径宜为 250 350 mm，台车尺寸 4 m4 m，运输台车将压力管道运输至指定吊装位置。3.3.3 作业平台加工为了满足出水竖井压力管道快速安装，设置作业平台在竖井压力钢管内部升降和固定。作业平台外缘与钢管内壁距离宜为 220 260 mm，预留 220 260 mm 间隙用于平台吊耳与钢管支座的连接和作业平台升降的活动空间。共设置 3 层操作平台（见图 4），主要用于压力管道焊接、探伤、防腐等工序施工，形成安全封闭环境，确保施工进度的同时加快施工进度。3.3.4 卷扬吊装系统布置卷扬吊装系统主要由卷扬机、卷扬机跑绳、?图 3 简易台车示意图?图 4 作业平台示意图导向滑轮、定滑轮装置、动滑轮装置构成。卷扬机布置在天轮架一侧，卷扬机基础板四周使用 8根 C25 mm 以上插筋锚固，插筋与卷扬机基础焊接牢固。卷扬机与天轮架定滑轮间布置3个导向滑轮，第 1 个导向滑轮与卷扬机间距不小于 18 m。跑绳与卷扬机保持垂直，与天轮架中心间距约 2.5 倍的钢管半径 4。出水竖井钢管最大重量 6.496 t，竖井压力钢管安装时，先在井口位置将两节组装成一整段，单段重量 12.992 t，再用天轮架和卷扬机配套的吊装系统将钢管吊至安装工位，压力钢管竖井段总高度 192 m，天轮架滑车组钢丝绳分支数为 3 根，总计需要约 600 m 钢丝绳（含卷筒缠绕量）。考虑其他附属部件、钢丝绳自重等因素，起吊重物总重量约 15 t，牵引力只需 58.824 kN。根据卷扬胡传安，万新 出水竖井倒挂压力管道及混凝土快速施工技术173机牵引力计算，8 t 卷扬机即可满足吊装要求。为考虑竖井吊装安全，选择卷扬机时应乘 1.5 倍的安全系数，即选择 12 t 卷扬机。钢丝绳破断拉力计算公式 （1）式中：F0钢丝绳最小破断拉力，kN；d钢丝绳直径，mm；R0 钢丝绳公称抗拉强度，MPa；K某一指定结构钢丝绳的最小破断拉力系数（K值）。R0取 钢 芯 钢 丝 绳 最 小 公 称 抗 拉 强 度1670 MPa；根据纤维芯钢丝绳类别为637S+FC（6个圆股，每股外层丝 14 18 根）K值取 0.330，见 GB/T8918-2006重要用途钢丝绳表 5，天轮架起吊重量 15 t，即 150 kN，天轮架钢丝绳分支数为 3，每股钢丝绳受力 F1=150 kN3=50 kN5。根据规范要求，载人的钢丝绳最小安全系数为 10 12，载物的钢丝绳最小安全系数为 8，滑轮组跑绳最小安全系数为 5，缆风绳最小安全系数为 3.5，卷扬机吊装系统所使用的钢丝绳既用作滑组跑绳又用于吊物，取安全系数为 8。即天轮架钢丝绳破断拉力 F0必须大于 F2=50 kN8=400 kN。根据上述公式计算，钢丝绳绳径为 28 mm 时F0=432.062 kN，满足天轮架钢丝绳安全吊装要求。但在实际吊装时，为确保吊装安全，宜选择 30 mm以上 637S+FC 钢丝绳。3.4.5 压力管道吊装钢管正式吊装前先用假管测试竖井开挖情况，假管使用钢筋制作，假管直径比安装钢管直径大500600 mm6，确保压力管道安装空间满足要求。采用天轮架及卷扬起吊系统配合压力管道运输台车将压力管道吊装至指定高程（出水竖井井口吊装布置示意图见图 5）7。3.4.5 压力管道安装待压力管道放置就位时，同步下放作业平台，作业人员分层进行施工，压缝、环缝焊接、支座拆除、消缺处理、无损检测、防腐等工作一并逐一展开，可以快速提高管道安装速度。待管道安装验收合格后即可浇筑管道外侧混凝土，按照流水工作线，每天安装4节压力管道，混凝土最大上升高度8 m（作业平台与钢管位置关系示意图见图 6）8。图 5 出水竖井井口吊装布置示意图图 6 作业平台与钢管位置关系示意图4 结束语通过对出水竖井压力管道施工的研究，深入发掘施工技术，引入创新思维。在保证施工安全的同时降低了人工、设备及材料的投入，缩短施工周期，节约施工成本，保障了安装质量。参考文献：1张成军，马菲，石建军.山西中部引黄工程技术难题及关键技术研究J.水利建设与管理，2022，42（4）:16-23.2曹生茂，张振新，常安云，等.缅甸邦龙电站压力管道回填混凝土施工J.云南水力发电，2019，35（4）:9-11.3叶元乐，符彪，雷小琪.两河口水电站压力管道竖井施工垂直运输系统J.云南水力发电，2020，36（4）:116-119.4马惠珠，卞智慧，邓振伟.一种钢丝绳有限元模型的参数化建模方法J.山西建筑，2023，49（4）:55-58.5 王俊杰，刘军岐，冯子云.确定钢丝绳破断拉力几种方法的比较 J.石油化工建设，2013，35（3）:43-45.6姜磊，金路，黄浩.压力管道安装质量常见问题分析J.特种设备安全技术，2020，237（6）:25-26+40.7沈晓勇，施蕾.水电站竖井段压力钢管安装施工工艺探究J.内蒙古水利，2021，228（8）:54-57.8李庆国，孙再来，冯信，等.干河泵站压力钢管安装J.云南水力发电，2019，35（S2）:138-142.