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【摘 要】 国内少数中小型引水式水电站压力钢管多设计有垂直竖井段，用钢管衬砌，竖井深、安装空间狭小是该类压力钢管的特点。安装时在上平段设有安装间，由于受支洞及主洞洞径的限制，不能以整节钢管的形式在洞内运输，而只能以瓦片形式运至设置在上平段的安装间进行钢管的组圆、焊接纵缝及装焊加劲环等工序，安装难度较大。针对以上施工条件，进行水电站垂直竖井钢管安装工艺研究。
一、当前国内外同类研究、同类技术的综合比较
目前同类引水式电站国内国外较多，压力钢管设计基本以上平段-斜直段-下平段方式布置。该压力钢管斜直段安装时普遍采用在斜面铺设轨道，设置运输小车，利用卷扬机下放方式完成斜直段的钢管安装。但以上平段-竖井段-下平段方式布置型式比较少，也未查到类似工程施工工艺方法，因此，垂直竖井钢管安装研究在同类工程施工中属创新技术。
二、技术创新点
1、主要技术难点、技术创新点
主要技术难点：
1）钢管安装间空间狭小，洞内组圆及焊接难度大，对如何控制好各项技术指标提出了更高的要求。
2）压力隧洞引水竖井成90°直立形，竖井较长，钢管的下放及安全控制是主要环节。
3）竖井段作业中，施工组织中上下交叉作业、及安全管理与控制是至至关重要的环节。
通过对垂直竖井钢管安装技术的研究与应用，进而总结形成一整套成熟可靠的压力钢管竖井安装工艺，技术创新点如下：
1）洞内钢管瓦片运输、卸车、组圆系统；
2）洞内垂直竖井钢管吊装下放系统；
3）垂直竖井钢管安装人员操作系统；
2、技术关键
1）狭小安装间瓦片卸车、吊运、组圆技术；
2）竖井钢管安装下放技术；
3）安装人员交叉作业及安全保证技术；
3、研究方法
通过对设计图纸及施工现场的分析理解，专门研究出一套切实可行的竖井钢管安装工艺流程。通过对该工艺方法研究，设计出专用工装设备，总结出一整套工艺工法。
4、技术路线
施工现场考察→施工方案的提出→施工方案反复论证→制订科学、合理的垂直竖井钢管安装技术方案→工装设备的设计研发→工装设备的制作及安装→钢管吊运安装→验收。
5、成果总结
1）在安装间设置一套门架系统，解决了安装间内钢管瓦片吊运、组圆问题。由于安装间空间狭小，给钢管瓦片卸车、吊运及组圆以及组圆后的整节钢管吊运至竖井口等工序都带来了相当大的难度。设置一套门架系统后，问题得到了很好的解决，该门架系统门架和设置在其上的移动式电动葫芦组成，门架分别由剪刀撑和葫芦行走梁连接成整体，满足整节钢管吊装的强度及刚度要求。
2）在安装间设置一套下放系统，解决了垂直竖井钢管下放问题。垂直竖井纵深，下放难度较大，且给施工安全方面提出相当严格的要求。下放系统的设计并应用，很好的解决了钢管下放安装各方面的技术难题，系统利用设置在安装间内的门架系统和布置在竖井口的一台卷扬机以及定滑轮组成，在实际工程使用中，钢管下放速度均匀，下放过程中管体平稳无晃动、无旋转，钢管安装安全可靠且高效。
3）有效解决了垂直竖井操作人员施工人员安全防护及施工工序交叉作业问题。由于竖井作业中冷作人员和焊接人员需交叉作业，且高空作业危险性较高，设计一套安装人员操作系统后，难题得到了很好的解决。安装操作系统由一作业平台、人笼组成，配合门架系统和下放系统联合操作，起重作业人员和工作面安装人员配备报话机保持通信畅通。该系统为类似的工程作业提供了很好的经验，在保证安全、质量、加快进度、降低成本等方面有积极作用，值得推广。
三、重点研究解决的关键技术问题
1、门架系统
门架系统的设计并应用，成功解决了钢管瓦片的卸车，瓦片的组圆，以及整节钢管的倒运问题。
门架系统由门型钢结构桁架、移动式电动葫芦、行车梁及剪刀撑联接系组成。沿安装间长度方向布置，每榀门架间距2m。每榀门架按最大载重载荷进行强度及刚度计算，型钢结构型号按计算值选用，单榀门架顶部设计为人字形桁架结构。行车梁按最大载重进行受力计算，选用工字钢，并对下翼板进行补强。门架结构由行车梁及剪刀撑联接系连接成整体结构，并与土建预留在洞体侧墙及顶部的锚筋焊接，以达到门架系统安全可靠。
门架系统前部（竖井侧）主要用来下放整节钢管及安装人员，此处行车梁翼缘上设有吊耳，吊耳板厚由力学分析数据选取，吊耳按钢结构一类缝焊接要求与行车梁进行焊接。
门架系统中部主要用来进行钢管瓦片组圆及组圆焊接后整节钢管吊运至竖井口。单节钢管组圆后，由葫芦从组圆位置吊运至竖井口后再由卷扬机下放安装。
门架系统尾部主要用来进行钢管瓦片卸车。钢管瓦片由载重汽车运输到安装间位置，钢管瓦片由葫芦从载重汽车吊运至钢管组圆位置。
整个门架系统运行安全可靠，钢管安装工序形成流水作业，效率极高。
2、钢管吊装下放系统
钢管吊装下放系统成功解决了垂直竖井单节钢管安全高效下放并安装问题。吊装下放系统由布置在安装间的固定式卷扬机、钢丝绳及滑轮组成，配合门架系统进行运作。
固定式卷扬机与事先做好的锚筋焊接连接，为了满足下放吊装要求，锚筋用φ30mm圆钢进行埋设，埋设深度大于2m，沿卷扬机底板周边埋设14处。
竖井口定滑輪与事先做好的锚筋焊接连接，为了满足下放吊装要求，锚筋用φ30mm圆钢进行埋设，埋设深度大于3m，按矩形阵列埋设9处。
钢丝绳按下放最大载荷进行受力计算后选用，在门架系统上双绳布置，长度满足竖井最大深度，采购优质厂家生产的合格钢丝绳。
3、垂直竖井钢管安装人员操作系统 安装人员操作系统由作业平台、人笼及通信工具等组成，配合门架系统和钢管下放系统运行。
作业平台用于承载施工人员、施工设备及材料，其结构直接影响钢管安装的各个环节，故其结构必须安全、实用。平台为圆形结构，由型钢组焊而成，并铺设花纹钢板，平台上设有四处吊耳用卡环和卷扬机钢丝绳连接，在竖井中完成升降运动。平台上还设有4个专用挂钩，待钢管压缝安装后，用挂钩将作业平台挂在管口。
人笼主要用于下放或提升安装人员，用φ20钢筋焊接成长方体笼形结构，底部铺设花纹钢板，顶部设吊耳，侧面设出入门，人笼可容纳4人，利用钢管下放系统进行下放或起升。
安装作业人员，起重作业人员及起重指挥人员都必须配备报话机，安装人员在作业平台作业，在人笼中下放或起升时，始终保持通信畅通，统一指挥，按口令进行作业，杜绝一切人为不安全因素。
四、垂直竖井压力钢管安装工艺简介
1、工艺流程图（见下图）
2、安装施工准备
在靠近上弯段附近的发电洞（上平段）设置安装间，在安装间内将瓦片组圆焊接为整节钢管，为满足钢管在洞内组圆、焊接、安装要求。
在洞内设置的安装间范围内，安装电动葫芦的门型架并沿隧洞纵向中心线布置，电动葫芦用于钢管瓦片的卸车、组圆、装环吊装，同时将钢管转移至竖井顶部下放平台处。为确保安装人员安全的需求，上弯段入口处做临时防护栏杆，并装安全防护网。
3、施工方法
钢管的安装顺序为：下平段始装节→下弯段→竖井段→上弯段→上平段。安装均由自下游至上游的顺序进行。
第一节管节下放之前利用吊笼把下端指挥人员下放到位，安全之后提起吊笼吊到洞口。用焊接平台把所用电焊机下方到位，电焊机到位后放置到管壁外侧加固，安全之后提起焊接平台吊到洞口。再利用电动葫芦把管节吊到竖井顶部中心位置（下垫可移动平台），管节放置移动平台上，再利用电动葫芦将焊接平台吊起，挂到下方的管节上，起重人员从外侧进入管节内，站在焊接平台上进行电动葫芦与卷扬机交换钢丝绳。再利用卷扬机进行钢管的下放，钢管逐节下放进行安装。
钢管、焊接平台、吊笼下放顺序：第一节竖井安装时竖井下端指挥人员先用吊笼下放到下弯段钢管外侧，等下端指挥人员到达安全位置站稳之后，吊笼上升到竖井顶部。开始下放钢管，钢管下放时焊接平台一起与钢管下放，焊接平台中间部位有固定螺栓，等固定螺栓与下放钢管连接，焊接平台不再晃动，开始下放管节，钢管下放过程中全部有下端指挥人员指挥，其他人员不再指挥，等钢管下放安全平稳之后起升卷扬机，用吊笼下放压缝，焊接人员。等焊接人员下放到位后，首先固定焊接平台下端的4个固定螺栓，防止平台晃动。
吊装到位后首先检验纵缝位置是否合理，检查节间钢管环缝间隙，用千斤顶及导链联合调整，合格后用楔铁与码子在外侧焊接压缝，确保环缝错台在2mm内，压缝完成测量检查安装中心位置，为下节安装提供技术数据，便于调正管节中心轴线。
为竖井压力钢管焊接设计专门平台，由于它的作用是承载施工人员、必要设备及材料，所以必须具有可靠的安全性，另外其结构直接影响钢管安装的各个环节，故其结构必须可靠、实用。待钢管压缝安装后，用4个专用挂钩将焊接专用平台挂在管口。另外平台四周轴线位置设置4个可调节丝杆，用于加固平台，增加平台的稳定性。
钢管安装和混凝土浇筑应分段交替进行的原则，每安装3节钢管土建单位作为一个浇筑单元浇注，每次浇注至钢管端口处应至少留800mm，以便下节钢管安装调整，且浇筑时保护好测量基准点。
竖井段钢管安装完后进行上弯段的安装，同样用卷扬机下放。上弯段钢管瓦片在安装间组圆拼装后按节整体挂装，安装时需注意管节号及水流方向。
五、经济效益及社会效益
1、“垂直竖井钢管安装工艺研究”为垂直豎井压力钢管安装提供了一套工艺方法，在保证质量、加快进度、降低成本、安全保障等方面有积极作用，社会和经济效益显著，推广应用前景广阔。
2、垂直竖井钢管安装工艺研究，将给其他类似工程建设提供借鉴经验。
一、当前国内外同类研究、同类技术的综合比较
目前同类引水式电站国内国外较多，压力钢管设计基本以上平段-斜直段-下平段方式布置。该压力钢管斜直段安装时普遍采用在斜面铺设轨道，设置运输小车，利用卷扬机下放方式完成斜直段的钢管安装。但以上平段-竖井段-下平段方式布置型式比较少，也未查到类似工程施工工艺方法，因此，垂直竖井钢管安装研究在同类工程施工中属创新技术。
二、技术创新点
1、主要技术难点、技术创新点
主要技术难点：
1）钢管安装间空间狭小，洞内组圆及焊接难度大，对如何控制好各项技术指标提出了更高的要求。
2）压力隧洞引水竖井成90°直立形，竖井较长，钢管的下放及安全控制是主要环节。
3）竖井段作业中，施工组织中上下交叉作业、及安全管理与控制是至至关重要的环节。
通过对垂直竖井钢管安装技术的研究与应用，进而总结形成一整套成熟可靠的压力钢管竖井安装工艺，技术创新点如下：
1）洞内钢管瓦片运输、卸车、组圆系统；
2）洞内垂直竖井钢管吊装下放系统；
3）垂直竖井钢管安装人员操作系统；
2、技术关键
1）狭小安装间瓦片卸车、吊运、组圆技术；
2）竖井钢管安装下放技术；
3）安装人员交叉作业及安全保证技术；
3、研究方法
通过对设计图纸及施工现场的分析理解，专门研究出一套切实可行的竖井钢管安装工艺流程。通过对该工艺方法研究，设计出专用工装设备，总结出一整套工艺工法。
4、技术路线
施工现场考察→施工方案的提出→施工方案反复论证→制订科学、合理的垂直竖井钢管安装技术方案→工装设备的设计研发→工装设备的制作及安装→钢管吊运安装→验收。
5、成果总结
1）在安装间设置一套门架系统，解决了安装间内钢管瓦片吊运、组圆问题。由于安装间空间狭小，给钢管瓦片卸车、吊运及组圆以及组圆后的整节钢管吊运至竖井口等工序都带来了相当大的难度。设置一套门架系统后，问题得到了很好的解决，该门架系统门架和设置在其上的移动式电动葫芦组成，门架分别由剪刀撑和葫芦行走梁连接成整体，满足整节钢管吊装的强度及刚度要求。
2）在安装间设置一套下放系统，解决了垂直竖井钢管下放问题。垂直竖井纵深，下放难度较大，且给施工安全方面提出相当严格的要求。下放系统的设计并应用，很好的解决了钢管下放安装各方面的技术难题，系统利用设置在安装间内的门架系统和布置在竖井口的一台卷扬机以及定滑轮组成，在实际工程使用中，钢管下放速度均匀，下放过程中管体平稳无晃动、无旋转，钢管安装安全可靠且高效。
3）有效解决了垂直竖井操作人员施工人员安全防护及施工工序交叉作业问题。由于竖井作业中冷作人员和焊接人员需交叉作业，且高空作业危险性较高，设计一套安装人员操作系统后，难题得到了很好的解决。安装操作系统由一作业平台、人笼组成，配合门架系统和下放系统联合操作，起重作业人员和工作面安装人员配备报话机保持通信畅通。该系统为类似的工程作业提供了很好的经验，在保证安全、质量、加快进度、降低成本等方面有积极作用，值得推广。
三、重点研究解决的关键技术问题
1、门架系统
门架系统的设计并应用，成功解决了钢管瓦片的卸车，瓦片的组圆，以及整节钢管的倒运问题。
门架系统由门型钢结构桁架、移动式电动葫芦、行车梁及剪刀撑联接系组成。沿安装间长度方向布置，每榀门架间距2m。每榀门架按最大载重载荷进行强度及刚度计算，型钢结构型号按计算值选用，单榀门架顶部设计为人字形桁架结构。行车梁按最大载重进行受力计算，选用工字钢，并对下翼板进行补强。门架结构由行车梁及剪刀撑联接系连接成整体结构，并与土建预留在洞体侧墙及顶部的锚筋焊接，以达到门架系统安全可靠。
门架系统前部（竖井侧）主要用来下放整节钢管及安装人员，此处行车梁翼缘上设有吊耳，吊耳板厚由力学分析数据选取，吊耳按钢结构一类缝焊接要求与行车梁进行焊接。
门架系统中部主要用来进行钢管瓦片组圆及组圆焊接后整节钢管吊运至竖井口。单节钢管组圆后，由葫芦从组圆位置吊运至竖井口后再由卷扬机下放安装。
门架系统尾部主要用来进行钢管瓦片卸车。钢管瓦片由载重汽车运输到安装间位置，钢管瓦片由葫芦从载重汽车吊运至钢管组圆位置。
整个门架系统运行安全可靠，钢管安装工序形成流水作业，效率极高。
2、钢管吊装下放系统
钢管吊装下放系统成功解决了垂直竖井单节钢管安全高效下放并安装问题。吊装下放系统由布置在安装间的固定式卷扬机、钢丝绳及滑轮组成，配合门架系统进行运作。
固定式卷扬机与事先做好的锚筋焊接连接，为了满足下放吊装要求，锚筋用φ30mm圆钢进行埋设，埋设深度大于2m，沿卷扬机底板周边埋设14处。
竖井口定滑輪与事先做好的锚筋焊接连接，为了满足下放吊装要求，锚筋用φ30mm圆钢进行埋设，埋设深度大于3m，按矩形阵列埋设9处。
钢丝绳按下放最大载荷进行受力计算后选用，在门架系统上双绳布置，长度满足竖井最大深度，采购优质厂家生产的合格钢丝绳。
3、垂直竖井钢管安装人员操作系统 安装人员操作系统由作业平台、人笼及通信工具等组成，配合门架系统和钢管下放系统运行。
作业平台用于承载施工人员、施工设备及材料，其结构直接影响钢管安装的各个环节，故其结构必须安全、实用。平台为圆形结构，由型钢组焊而成，并铺设花纹钢板，平台上设有四处吊耳用卡环和卷扬机钢丝绳连接，在竖井中完成升降运动。平台上还设有4个专用挂钩，待钢管压缝安装后，用挂钩将作业平台挂在管口。
人笼主要用于下放或提升安装人员，用φ20钢筋焊接成长方体笼形结构，底部铺设花纹钢板，顶部设吊耳，侧面设出入门，人笼可容纳4人，利用钢管下放系统进行下放或起升。
安装作业人员，起重作业人员及起重指挥人员都必须配备报话机，安装人员在作业平台作业，在人笼中下放或起升时，始终保持通信畅通，统一指挥，按口令进行作业，杜绝一切人为不安全因素。
四、垂直竖井压力钢管安装工艺简介
1、工艺流程图（见下图）
2、安装施工准备
在靠近上弯段附近的发电洞（上平段）设置安装间，在安装间内将瓦片组圆焊接为整节钢管，为满足钢管在洞内组圆、焊接、安装要求。
在洞内设置的安装间范围内，安装电动葫芦的门型架并沿隧洞纵向中心线布置，电动葫芦用于钢管瓦片的卸车、组圆、装环吊装，同时将钢管转移至竖井顶部下放平台处。为确保安装人员安全的需求，上弯段入口处做临时防护栏杆，并装安全防护网。
3、施工方法
钢管的安装顺序为：下平段始装节→下弯段→竖井段→上弯段→上平段。安装均由自下游至上游的顺序进行。
第一节管节下放之前利用吊笼把下端指挥人员下放到位，安全之后提起吊笼吊到洞口。用焊接平台把所用电焊机下方到位，电焊机到位后放置到管壁外侧加固，安全之后提起焊接平台吊到洞口。再利用电动葫芦把管节吊到竖井顶部中心位置（下垫可移动平台），管节放置移动平台上，再利用电动葫芦将焊接平台吊起，挂到下方的管节上，起重人员从外侧进入管节内，站在焊接平台上进行电动葫芦与卷扬机交换钢丝绳。再利用卷扬机进行钢管的下放，钢管逐节下放进行安装。
钢管、焊接平台、吊笼下放顺序：第一节竖井安装时竖井下端指挥人员先用吊笼下放到下弯段钢管外侧，等下端指挥人员到达安全位置站稳之后，吊笼上升到竖井顶部。开始下放钢管，钢管下放时焊接平台一起与钢管下放，焊接平台中间部位有固定螺栓，等固定螺栓与下放钢管连接，焊接平台不再晃动，开始下放管节，钢管下放过程中全部有下端指挥人员指挥，其他人员不再指挥，等钢管下放安全平稳之后起升卷扬机，用吊笼下放压缝，焊接人员。等焊接人员下放到位后，首先固定焊接平台下端的4个固定螺栓，防止平台晃动。
吊装到位后首先检验纵缝位置是否合理，检查节间钢管环缝间隙，用千斤顶及导链联合调整，合格后用楔铁与码子在外侧焊接压缝，确保环缝错台在2mm内，压缝完成测量检查安装中心位置，为下节安装提供技术数据，便于调正管节中心轴线。
为竖井压力钢管焊接设计专门平台，由于它的作用是承载施工人员、必要设备及材料，所以必须具有可靠的安全性，另外其结构直接影响钢管安装的各个环节，故其结构必须可靠、实用。待钢管压缝安装后，用4个专用挂钩将焊接专用平台挂在管口。另外平台四周轴线位置设置4个可调节丝杆，用于加固平台，增加平台的稳定性。
钢管安装和混凝土浇筑应分段交替进行的原则，每安装3节钢管土建单位作为一个浇筑单元浇注，每次浇注至钢管端口处应至少留800mm，以便下节钢管安装调整，且浇筑时保护好测量基准点。
竖井段钢管安装完后进行上弯段的安装，同样用卷扬机下放。上弯段钢管瓦片在安装间组圆拼装后按节整体挂装，安装时需注意管节号及水流方向。
五、经济效益及社会效益
1、“垂直竖井钢管安装工艺研究”为垂直豎井压力钢管安装提供了一套工艺方法，在保证质量、加快进度、降低成本、安全保障等方面有积极作用，社会和经济效益显著，推广应用前景广阔。
2、垂直竖井钢管安装工艺研究，将给其他类似工程建设提供借鉴经验。