抽水蓄能电站超长斜井钢管安装与混凝土施工技术

江谊园，程雪如

(1.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2. 中国能建工程研究院水电施工设计研究所，湖北 宜昌 443002；3.长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引言

位于“两山”理念发源地浙江省安吉县的长龙山抽水蓄能电站工程装机规模2 100 MW，主要承担华东电网调峰、填谷、调频、调相及紧急事故备用等任务。电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建(构)筑物组成；引水发电系统采用“三洞六机”斜井式布置。三条引水下斜井采用全压力钢管结构设计，倾角均为58°，开挖断面5.0 m×5.9 m，钢管直径4.4 m；单条斜井长度达415 m，该长度位列当时同类在建工程的国内第一、世界第二，设置钢管共84个安装单元(含上弯段和下弯段)，钢管外设计采用C20二级配混凝土回填，厚度70～80 cm。引水斜井为工程施工次关键线路项目，工期紧张；斜井深度大、倾角陡、空间狭小，施工难度及安全风险较大。为此，需在传统施工技术基础上研究创新施工技术、研发新装置，以保证工程进度及施工安全。

1 施工难点

对于斜井工程，受重力方向与斜井轴线为锐角影响，相较于平洞或竖井工程，进行钢管运输、安装及混凝土回填施工的难度大大增加。而对于长度超过400 m的超长斜井，其施工难度更大，主要难点包括3个方面：

1)钢管井内溜放与安装难度大。本工程钢管直径4.4 m，采取厂内加工制作完成后整体运输安装，在平洞内运输线路长、转向难度大、传统运输方式慢；单节钢管重量近30 t，在井内溜放倾角大、距离长，存在安全风险大、对接就位难度大等难点。

2)超长斜井回填混凝土施工难度大。实施长度超过400 m的斜井回填混凝土施工在国内尚属首次，混凝土入仓除采用溜管外尚无可替代方案，但溜管长距离入仓存在堵管几率大、磨损快、混凝土骨料分离控制难度大等问题，一旦出现堵管，处理难度大、风险高，且耗时长。

3)钢管安装与混凝土回填交面频繁，影响工期，施工组织难度较大。按照投标方案规划，钢管安装和混凝土回填循环长度为36 m，每安装6节(6 m/节)钢管后向土建交面，进行一次混凝土回填施工，交面较频繁，加之施工空间受限、通行困难等，影响施工进度和节点工期，且工序衔接工作量增加，施工组织难度较大。

2 超长斜井钢管快速运输技术

通过调整牵引方式、研发专用台车、止锁装置等措施，实现了抽蓄电站大直径钢管平洞内快速运输、转向，安全转换至斜井内下放，并快速准确定位。

2.1 平洞内快速运输技术

平洞内钢管运输传统方法采取布置卷扬机作为动力，牵引运输台车进行钢管运输，该方法需单独扩挖布置卷扬机，并设置多组导向轮以满足平洞上下游侧钢管牵引运输，不仅布置复杂、转向不灵活，且运输速度慢。经过仔细核算及现场实践，采用“轮式牵引机车+有轨台车”替代传统卷扬机牵引方式进行钢管洞内水平运输，钢管安放固定在专用有轨台车上，由轮式牵引机车通过连接件牵引有轨台车在洞内运输轨道上运行，如图1所示，利用千斤顶辅助有轨台车在岔洞口进行转向，较传统卷扬机牵引不仅更加高效，且布置简单，解决了洞内空间狭小、转向困难的问题；有轨运输台车总体尺寸与管节尺寸相匹配，设置弧形托架及吊耳，以便将钢管牢固固定在台车上，保证运输过程中的稳定性，有轨运输台车横剖面如图2所示。

图1 牵引车牵引有轨运输台车示意图

图2 有轨运输台车横剖面图

2.2 斜井内安全下放技术

钢管运输至靠近斜井上弯部位后，在下游侧轨道上安装专用止锁装置防止台车下滑。斜井内采用双联卷筒卷扬机、配置双钢丝绳进行钢管溜放，其中一根钢丝绳作为保险，钢管利用自重下滑至安装部位。

3 超长斜井钢管无内撑优质安装技术

旋转横梁顶撑装置安装实现了超长大型钢管无内支撑安装。采用“多层多道、左右对称、分段退步”的焊接工艺，有效提高了斜井内钢管焊接质量。

3.1 斜井内钢管无内撑拼装技术

钢管每6 m为一个安装节，通过斜井溜放系统溜放入井到达安装位置，然后依次进行拼装、精调、定位(检验)、加固等准备作业。准备作业采用旋转横梁顶撑装置如图3所示，进行压缝拼装施工，该装置安装在钢管内装配台车上，可以进行360°旋转，对缝间隙、错台精确调整合格后进行定位焊接，从而取消了环缝组对传统施工工艺中的压码与锁板，实现了超长斜井内大型钢管无内支撑安装，提高了高强钢管安装工效及质量。

图3 旋转横梁顶撑装置(压缝器)结构示意图

3.2 斜井内钢管快速优质焊接技术

准备作业完成后，实施钢管环缝焊接(检验)工序，该工序为钢管安装最重要工序之一。斜井内钢管焊接采用焊条电弧焊，正式开焊前须进行焊接工艺试验及评定，编制焊接工艺规程。钢管环缝焊接采用“多层多道、对称、分段退步”的焊接工艺，不同管材、不同位置的焊接采用不同的焊接参数，焊接顺序及焊工布置如图4所示。600 MPa钢选用J607RH型焊条，直径为φ3.2 mm和φ4.0 mm；800 MPa钢选用J80SD型焊条，直径为φ3.2 mm和φ4.0 mm；异种钢焊接时，采用低强度母材的焊接材料、高强度母材的焊接工艺。

图4 焊接顺序及焊工布置示意图

4 超大段长钢管安装及混凝土施工技术

通过理论计算、现场实践及加强监测，将钢管安装及混凝土回填循环长度由36 m调整至60 m，并应用专利技术，实现超大段长钢管安装及混凝土浇筑快速施工，施工速度由传统方案每22～25 d完成36 m，提升至每18～22 d完成60 m。

4.1 超大段长钢管安装施工技术

按照招标方案规划及类似工程实例，斜井内钢管安装一般为36 m一个循环，混凝土浇筑循环长度与之对应，每循环工期约22～25 d。钢管安装循环长度主要受制于其外包混凝土浇筑速度及循环长度。通过分析计算钢管在混凝土内的临界外压值[1]，根据SL 281—2003《水电站压力钢管设计规范》附录B“地下埋管结构分析方法”中的“B.2.2加劲环式钢管的临界外压力计算”，在浇筑回填混凝土时，钢衬的受力状态应按明管进行计算[2]。经计算得新浇筑混凝土未达到初凝状态的允许深度约31 m，考虑混凝土初凝时间及1.8倍安全系数，计算得混凝土浇筑上升速度[1]应控制在2.87 m/h以内，现场实际浇筑强度约27 m3/h，对应上升高度为1.33 m/h，故钢管不会因浇筑混凝土而发生超设计允许值的位移或变形，为加大钢管安装循环长度提供了必要条件。

根据以上理论分析成果，将钢管安装循环长度调整为48 m，经现场实际验证，钢管未发生位移或变形；后续施工将循环长度调整至60 m，共10个安装节，同时采取适当增加钢管外支撑，以确保钢管不发生位移，并布设应力计对浇筑过程及浇筑后的钢管应力进行监测，通过应力变化情况反映是否发生超标变形。经现场实践证明，将钢管安装循环长度调整为60 m的超大段长钢管安装过程顺利，回填混凝土浇筑过程中钢管未出现异常应力变化，混凝土浇筑后钢管顶部、底部及左右腰线处的应力变化逐渐趋于稳定，且均在允许范围内，即变形满足设计要求。以1#引水下斜井1+456断面钢管应力为例，绘制该断面钢管应力变化曲线，具体如图5所示。

图5 1#引水下斜井1+456断面钢管应力变化曲线图

由于单循环段长增大，减少了金结与土建的交面次数，这样不仅减小了现场施工组织难度，也节省了反复交面导致的成本增加，缩短了工期。

4.2 超长斜井混凝土施工技术

通过应用自主研发的专利装置、优化混凝土配合比等技术措施，实现超长斜井混凝土安全高效施工。

1)采用自主研发的两种装置“一种耐磨的混凝土浇筑溜管[3]”和“大落差混凝土浇筑用缓冲器[4]”进行大段长混凝土浇筑，有效降低和缓冲混凝土下滑速度，从而提高溜管使用寿命。混凝土浇筑溜管及缓冲器布置如图6所示。

图6 混凝土浇筑溜管及缓冲器现场

2)根据不同深度对斜井回填混凝土级配进行优化，原设计均为二级配混凝土，调整为斜井下部150 m为自密实混凝土，上部约150 m为一级配流动性混凝土，从而有效降低堵管几率，并保证入仓后仍具有良好的和易性，为保证浇筑质量奠定基础。

3)为避免混凝土料中可能出现的个别超径块石，在上弯段入仓溜槽处设置钢筋网，将超径石剔除，避免进入溜管造成堵管。

4)在仓内布置可移动分流溜槽，保证混凝土下料均匀，同时利用钢管加固支撑布设振捣平台实施振捣，保证混凝土浇筑密实。仓内布置通风管保障作业面空气流通。

通过应用以上技术措施，显著延长了溜管使用寿命，降低了堵管几率，从而提高了混凝土浇筑工效，并保证了浇筑质量。

5 应用效果

该项施工技术在长龙山抽水蓄能电站3条引水下斜井压力钢管安装及混凝土回填施工中成功应用，采用钢管快速运输及安装技术、钢管无内撑优质安装技术，以及超大段长钢管安装与混凝土回填技术，首次实现60 m大段长钢管安装及混凝土浇筑，施工过程安全高效，施工工效由原计划每22～25 d完成36 m，提升至最快每18 d完成60 m，共计节约工期约4个月，为长龙山抽水蓄能电站2021年首台机组发电、1年内6台机组全部投产发电奠定了坚实基础。

6 结语

该技术通过优化运输手段和措施，实现了抽水蓄能电站大直径钢管洞内井内快速运输；研发应用专用装置、调整单元循环长度等措施，首次实现了超深斜井内60 m循环段长钢管安装与混凝土施工，机械化水平较高，有效加快了施工进度，同时能够保障施工安全质量。目前，我国正在大力开发抽水蓄能电站，该技术的应用对工程建设的快速推进具有积极作用。

需要指出的是，该项技术还存在一些改进空间：一是由于受超长全压力钢管斜井特殊结构布置特点限制，未能实现对钢管变形及偏移的直接监测，有待进一步研究监测装备和技术；二是压力钢管焊接仍为人工操作，有待研究自动化、智能化焊接技术。