天錨吊裝系統(tǒng)在大型地下岔管安裝中的應(yīng)用

艾宗南，李睿巍

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，成都，611800)

1 工程概況

南俄3水電站位于老撾中部Xaysomboune(賽松本)特區(qū)境內(nèi)，距離首都萬(wàn)象公路里程約265km。該水電站是一座以發(fā)電為主，兼顧養(yǎng)殖、旅游等綜合利用效益的水利樞紐工程，電站設(shè)計(jì)裝機(jī)3臺(tái)160MW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量480MW。機(jī)組采用一管三機(jī)聯(lián)合供水方式，由一條壓力引水隧洞、調(diào)壓井、地下主管段、兩個(gè)月牙肋岔管及三條支管組成。主管內(nèi)徑5.8m，全長(zhǎng)607m，支管內(nèi)徑3.3m～2.4m；大岔管最大公切半徑3.4m，岔管本體最大外形：8.9m×10.6m×7.4m(長(zhǎng)×寬×高)，總重97.9t；小岔管最大公切球半徑2.6m，岔管本體最大外形：6.2m×7.6m×5.8m(長(zhǎng)×寬×高)，總重45.8t。

在引水隧洞主管段上游左岸設(shè)有一施工支洞，長(zhǎng)度592m。其中，施工支洞為城門形斷面：寬7.6m、高6m；引水隧洞為馬蹄形斷面，直徑7.2m。

2 天錨吊裝方法

2.1 運(yùn)輸通道

受開(kāi)挖斷面幾何尺寸限制，兩個(gè)岔管均在洞外采用分塊制作工藝，分為9個(gè)管節(jié)制作，編號(hào)①-⑨，岔管分塊重量見(jiàn)圖1左圖。其中，外形最長(zhǎng)為④號(hào)管節(jié)(月牙肋)：7.4m×3.8m×0.13m(長(zhǎng)×寬×高)；外形最寬為①號(hào)管節(jié)：7.2m×6.6m×2.8m(長(zhǎng)×寬×高)；外形最高、重量最大為⑨號(hào)管節(jié)(錐體+月牙肋板)：5.8m×5.1m×3.9m(長(zhǎng)×寬×高)、重22.2t。

圖1 岔管分塊重量及天錨系統(tǒng)布置

2.2 天錨吊裝方法

2.2.1 主要吊裝方法

在大岔管的安裝位置下方布置一鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，平臺(tái)上平鋪有鋼板，用于岔管卸車和組裝。兩個(gè)岔管管節(jié)采用平板汽車運(yùn)輸，途經(jīng)施工支洞、引水隧洞運(yùn)抵平臺(tái)之上。洞頂布置7組天錨，與卷?yè)P(yáng)機(jī)和滑輪組結(jié)合，完成岔管管節(jié)的卸車、翻身等吊裝工序。天錨沿水流方向依次編號(hào)1號(hào)-7號(hào)天錨，平臺(tái)上游地面布置有地錨，地錨至上游10m范圍內(nèi)左右兩側(cè)擴(kuò)挖成城門形，用于布置卷?yè)P(yáng)機(jī)，其他位置布置有側(cè)錨和地錨。天錨系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1右圖。小岔管在平臺(tái)上組裝完成后拖運(yùn)到安裝位置。大岔管先組裝右錐體，后組裝左錐體和月牙肋，左、右錐體合攏后與上游錐體組裝。

2.2.2 小岔管吊裝

1號(hào)-5號(hào)天錨用于小岔管管節(jié)的卸車和組裝。其中，3號(hào)天錨用于⑨號(hào)管節(jié)的卸車，卸車完成后，水平旋轉(zhuǎn)90°，采用3號(hào)和4號(hào)天錨雙點(diǎn)抬吊方式翻身，以4號(hào)天錨作為單吊點(diǎn)，將⑨號(hào)管節(jié)水平旋轉(zhuǎn)180°后放置于預(yù)制的鋼托架上。卸車和翻身形式見(jiàn)圖2左圖。

圖2 小岔管卸車、翻身組裝示意

采用類似方法，使用3號(hào)天錨完成⑧號(hào)管節(jié)的卸車，采用3號(hào)和5號(hào)天錨雙點(diǎn)抬吊方式完成翻身后，以3號(hào)天錨作為單吊點(diǎn)，吊裝⑧號(hào)管節(jié)。移動(dòng)⑨號(hào)管節(jié)鋼托架到適當(dāng)位置與⑧號(hào)管節(jié)合攏。⑦號(hào)管節(jié)用1號(hào)和2號(hào)天錨雙點(diǎn)抬吊方式完成卸車和翻身，以2號(hào)天錨作為單吊點(diǎn)吊裝⑦號(hào)管節(jié)。再次移動(dòng)鋼托架，完成⑦號(hào)管節(jié)組裝，見(jiàn)圖2右圖。小岔管組裝完成后，放置于預(yù)設(shè)的運(yùn)輸軌道上，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)與滑輪組結(jié)合的方法拖運(yùn)到安裝位置。

2.2.3 大岔管吊裝

1號(hào)-3號(hào)、5號(hào)-7號(hào)天錨用于大岔管管節(jié)的卸車和組裝。其中，3號(hào)天錨用于②號(hào)-⑥號(hào)管節(jié)的卸車。④號(hào)管節(jié)卸車完成后，平放于托架上，移動(dòng)托架到下游指定位置，以滿足⑥號(hào)管節(jié)的卸車和翻身空間。⑥號(hào)管節(jié)采用3號(hào)和5號(hào)天錨雙點(diǎn)抬吊方式卸車和翻身，翻身后以3號(hào)天錨作為單吊點(diǎn)吊裝⑥號(hào)管節(jié)，移動(dòng)④號(hào)管節(jié)放置于⑥號(hào)管節(jié)下方，組裝后整體移動(dòng)到下游，以滿足⑤號(hào)管節(jié)的卸車和翻身空間。⑤號(hào)管節(jié)同樣采用3號(hào)和5號(hào)天錨雙點(diǎn)抬吊方式卸車和翻身，翻身后以3號(hào)天錨作為單吊點(diǎn)吊裝⑤號(hào)管節(jié)，移動(dòng)⑥號(hào)置于⑤號(hào)管節(jié)下方，組裝⑤號(hào)和⑥號(hào)成為整體⑤+⑥。移動(dòng)托架位置，使用3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)天錨三點(diǎn)抬吊方式完成⑤+⑥翻身，移動(dòng)④號(hào)管節(jié)至上游，吊起④號(hào)管節(jié)卸放于組裝平臺(tái)之上。移動(dòng)托架至⑤+⑥下方，將⑤+⑥放置于托架之上，移動(dòng)到右側(cè)指定位置，見(jiàn)圖3左圖。

圖3 大岔管組裝布置

再次吊起④號(hào)管節(jié)置于另一托架上，移動(dòng)托架到下游，以滿足③號(hào)管節(jié)的卸車和翻身空間。采用與⑤+⑥相同的組裝方法，③號(hào)管節(jié)卸車和翻身完成后，移動(dòng)④號(hào)管節(jié)與③號(hào)管節(jié)組裝成整體③+④，再次移動(dòng)③+④到下游，以滿足②號(hào)管節(jié)的卸車和翻身空間。②號(hào)管節(jié)卸車和翻身完成后，移動(dòng)③+④與②號(hào)管節(jié)組裝成整體②+③+④。移動(dòng)托架位置，使用5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)天錨三點(diǎn)抬吊方式完成②+③+④的起吊和翻身，移除托架和鋼板，各項(xiàng)安裝尺寸參數(shù)調(diào)整合格后加固焊牢。移動(dòng)⑤+⑥與②+③+④合攏。①號(hào)管節(jié)使用1號(hào)和2號(hào)天錨雙點(diǎn)抬吊方式完成卸車和翻身，以2號(hào)天錨作為單吊點(diǎn)吊裝①號(hào)管節(jié)，完成大岔管組裝，見(jiàn)圖3右圖。

3 天錨吊裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

3.1 錨桿的選型與布置

(1)1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)天錨：起吊最大重量約Q0=22.2t、吊具重量約Q1=0.6t、鋼絲繩下拉力F0=5t。天錨最大荷載=Q0+Q1+F0=22.2t+0.6t+5t=27.8t。天錨最小設(shè)計(jì)荷載=27.8t×1.25=34.75t(動(dòng)荷系數(shù)取1.25)，取設(shè)計(jì)荷載35t，即343kN。每組天錨由4根φ32HRB螺紋鋼筋組成，呈2×2正方形布置，孔中心距400mm，錨桿長(zhǎng)度L=9m，入巖8.5m，外露0.5m，單根錨桿設(shè)計(jì)荷載85.75kN。為便于鉆孔施工，錨桿與洞壁面夾角約5°，見(jiàn)圖4左圖。

圖4 天錨布置

(2)3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)天錨：起吊最大重量約Q2=51.5/2=25.75t、吊具重量約Q3=0.6t、鋼絲繩下拉力F1=8t。天錨最大荷載=Q2+Q3+F1=25.75t+0.6t+8t=34.35t。天錨最小設(shè)計(jì)荷載=34.35t×1.25=42.94t，(動(dòng)荷系數(shù)取1.25)取設(shè)計(jì)荷載43t，即421.4kN。每組天錨由6根φ32HRB螺紋鋼筋組成，呈2×3矩形布置，水流方向孔中心距400mm，垂直水流方向孔中心距600mm，錨桿長(zhǎng)度L=9m，入巖8.5m，外露0.5m，單根錨桿設(shè)計(jì)荷載70.24kN。為便于鉆孔施工，錨桿與洞壁面夾角約5°，見(jiàn)圖4右圖。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算

本文只對(duì)荷載較大的天錨錨桿強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，其余導(dǎo)向錨桿不再驗(yàn)算。錨桿截面和錨桿長(zhǎng)度驗(yàn)算[1]。

①錨桿桿體的截面面積計(jì)算公式：

(1)

式中：Kt——錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，取1.8；

Nt——錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值，取最大值85.75kN；

yb

——鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取360N/mm

2

。

帶入公式(1)得錨桿計(jì)算截面面積：

φ32錨桿截面面積804mm2>428.75mm2，滿足要求。

②錨桿的錨固段長(zhǎng)度計(jì)算公式并取其中的較大值：

(2)

式中：Kt——錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，取1.8；

Nt——錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值，取最大值85.75kN；

La——錨桿錨固段長(zhǎng)度，m；

mg

——錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取0.3MPa(軟巖0.3～0.8)；

ms

——錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取2.0MPa；

D——錨桿錨固段的鉆孔直徑，取64mm；

d——鋼筋直徑，取32mm；

ξ——采用2根或2根以上鋼筋時(shí)，截面的粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.6；

φ——錨固長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，取1.0；

n——鋼筋根數(shù)，取較小值4。

帶入公式(2)得La1=2.559m，La2=0.319m，均小于錨桿實(shí)際錨固長(zhǎng)度La=8.5m，滿足要求。

③吊耳驗(yàn)算[2]。吊耳采用δ=26mmQ345鋼板，316mm×300mm(長(zhǎng)×寬)，吊耳孔d=100mm，孔下部鋼板高度100mm，吊耳孔兩側(cè)均含有12mmQ345補(bǔ)強(qiáng)板，見(jiàn)圖4。

吊耳孔壁承壓驗(yàn)算公式：

(3)

吊耳孔拉應(yīng)力驗(yàn)算公式：

(4)

式中：P——一個(gè)吊耳孔所承受的荷載，取421.4kN；

δ——吊耳板的厚度，取50mm；

r、R——r取吊耳孔半徑50mm，R取150mm；

[σcj]、[σk]——容許局部緊接承壓應(yīng)力[σcj]取115MPa、孔壁抗拉應(yīng)力[σk]取165MPa。

帶入公式(3)、(4)得σcj=84.28MPa≤[σcj]、σk=105.35MPa≤[σk]，滿足要求。

④錨桿與鋼板角焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算[3]。角焊縫焊腳高度16mm，受長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力：

(5)

式中：τ——按角焊縫的有效截面計(jì)算，沿焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力；

N——通過(guò)焊縫形心的剪力設(shè)計(jì)值，取343kN/8=42.875kN；

he——角焊縫的有效厚度，取0.7倍焊腳高度，即11.2mm；

lw——角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)每條焊縫取其實(shí)際長(zhǎng)度減去10mm，即290mm；

3.3 天錨系統(tǒng)施工方法

(1)天錨系統(tǒng)施工工藝流程[4]見(jiàn)圖5。

圖5 天錨施工工藝流程

(2)天錨系統(tǒng)施工

①鉆孔。岔管異形件吊點(diǎn)和天錨吊點(diǎn)中心通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得出坐標(biāo)。每根錨桿在洞壁處的位置使用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)放樣并使用噴漆作出標(biāo)記。錨桿孔采用雙臂鉆造孔，孔徑64mm，孔深8.5m，孔深誤差值不大于50mm，鉆孔軸線的偏斜率不大于錨桿長(zhǎng)度的2%[5]。

②錨桿制作與安裝。錨桿采用平直、長(zhǎng)度9m的螺紋鋼，沿桿體軸線方向每隔1.5m焊接一對(duì)長(zhǎng)50mm、φ10mm的普通圓鋼用作對(duì)中支架，焊接完成后清理錨桿表面，涂刷防銹漆。排氣管端部距孔內(nèi)頂部約10cm，注漿管插入孔口深度約5cm并在孔口設(shè)置密封裝置。注漿管、排氣管應(yīng)與錨桿桿體綁扎牢固且在運(yùn)輸過(guò)程中防止扭壓和彎曲。錨桿安裝前應(yīng)檢查孔道深度和孔徑，將孔道清理干凈后方可開(kāi)始插桿。插桿時(shí)不得損壞防腐層，當(dāng)插桿過(guò)程中遇阻力較大時(shí)，應(yīng)查明原因并解決后方可繼續(xù)插桿。插桿深度不小于設(shè)計(jì)入巖深度的95%，插桿完成后應(yīng)綁扎牢固。

③注漿。注漿漿液采用純水泥漿并添加適量減水劑、膨脹劑，強(qiáng)度等級(jí)不低于M30。注漿前應(yīng)檢查排氣管和注漿管是否暢通完好。漿液應(yīng)隨攪隨用，并在初凝前用完。注漿開(kāi)始后，當(dāng)排氣管返漿時(shí)，先將排氣管管口扎緊，再停止注漿。注漿完成后，不得隨意敲擊錨桿和懸掛重物。

④錨桿檢測(cè)。錨桿強(qiáng)度達(dá)到70%后，采用砂漿飽和檢測(cè)儀或聲波物探儀無(wú)損檢測(cè)法對(duì)每根錨桿的砂漿密實(shí)度和長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)[6]。檢測(cè)結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

⑤吊點(diǎn)和起重設(shè)備安裝。錨桿檢測(cè)合格后，開(kāi)始焊接頂部連接鋼板和吊耳等，焊接完成后檢查焊縫外觀及尺寸，均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。天錨、導(dǎo)向側(cè)錨及地錨焊縫均焊接完成后，布置卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩、滑輪等起重設(shè)備和工具。

⑥荷載試驗(yàn)。錨桿注漿完成28d后，對(duì)7組天錨進(jìn)行100%靜載荷、100%動(dòng)載荷和125%靜載荷試驗(yàn)，檢查錨桿和吊具有無(wú)松動(dòng)變形，焊縫有無(wú)裂紋等，確保天錨吊裝系統(tǒng)安全可靠。荷載試驗(yàn)合格后，天錨吊裝系統(tǒng)方可投入使用。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)天錨吊裝系統(tǒng)，安全、高效地解決了本工程大型地下岔管在狹小空間的吊裝難題，減少了隧洞擴(kuò)挖和回填方量、降低了工程施工成本和風(fēng)險(xiǎn)；

(2)利用三維設(shè)計(jì)軟件計(jì)算各不規(guī)則吊裝單元的重心坐標(biāo)，結(jié)合全站儀放樣，準(zhǔn)確布置各天錨吊點(diǎn)的中心坐標(biāo)，可提高吊裝定位的精準(zhǔn)性和吊裝效率；

(3)錨桿的施工過(guò)程質(zhì)量控制是保證天錨吊裝施工安全的關(guān)鍵。