外掛鋼罩氣墊式調(diào)壓室施工技術(shù)研究與應(yīng)用

1、外掛鋼罩氣墊式調(diào)壓室施工技術(shù)研究與應(yīng)用二零二一年三月目 錄1 項(xiàng)目立項(xiàng)背景與意義11.1 立項(xiàng)背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 立項(xiàng)意義12 工程概況22.1 工程概況22.2 工程地質(zhì)條件33 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)及技術(shù)分析33.1 工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)33.2 關(guān)鍵技術(shù)問題44 研究目標(biāo)與技術(shù)路徑44.1 研究內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)44.2 研究方法與技術(shù)路徑44.3 科研小組成立情況45 外掛鋼罩氣墊式調(diào)壓室施工方法研究與應(yīng)用65.1 氣室開挖方法研究65.2 氣室閉氣方法研究96 主要研究成果217 主要創(chuàng)新點(diǎn)228 結(jié)語228.1 工程應(yīng)用效果及評價(jià)228.2 經(jīng)濟(jì)效益238.3 社會效益231

2、項(xiàng)目立項(xiàng)背景與意義1.1 立項(xiàng)背景的電站，尤其適用于高水頭、小流量的引水式電站和抽水蓄能電站。圍巖閉氣效果欠佳的情況下才考慮設(shè)置水幕閉氣，即在氣室上方設(shè)置一充水廊 用條形布置在氣室的正上方，也可采用環(huán)形布置在氣室的四周。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀氣墊式調(diào)壓室于1973 年首先應(yīng)用于挪威的 電站，21 世紀(jì)初被國內(nèi)嘗進(jìn)行了改進(jìn)，采用內(nèi)掛鋼罩1.3 立項(xiàng)意義 8對洞室穩(wěn)定有一定的不利影響。因此，民治水電站的氣墊式調(diào)壓室要最終成型，就要通過合理的施工方法，既要能形成相應(yīng)的地下洞室，又要保證氣室不漏氣。1參考，特立項(xiàng)進(jìn)行此課題研究。2 工程概況2.1 工程概況88.0萬 m 溉、防洪、漂木等綜合利用要求。

3、我公司承包建設(shè)的民治水電站廠區(qū)樞紐工程屬民治水電站第三合同段（即MZ/C標(biāo))，包括發(fā)電廠房、尾水系統(tǒng)、引水系統(tǒng)三大部分。 （寬）17.2m（高），襯砌后尺寸為100m（長）10.4m（寬）16m（高）。接隧洞長68.9m（連）0+000-（連）0+068.9）、調(diào)壓室 100m(（調(diào)）0+000-（調(diào)）0+100)。（參見圖2-1 廠區(qū)樞紐工程三維圖）。圖 2-1 22.2 工程地質(zhì)條件民治水電站廠區(qū)樞紐工程位于龍門山北東向構(gòu)造帶之中央斷裂的南西段之烈度為度。坡面基巖裸露，地形坡度一般為6070。（1）氣墊式調(diào)壓室布置于微新巖體中，微新的花崗巖屬較高強(qiáng)度、較高模條件。據(jù)勘探資料，氣墊式調(diào)壓室軸

4、線與小斷層等主要結(jié)構(gòu)面多呈大角度相交，有利于洞室穩(wěn)定，最大主應(yīng)力方向約 125與調(diào)壓室軸線交角較大，對洞室穩(wěn)定有一定的不利影響，需采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?。?）地下水主要沿結(jié)構(gòu)面呈浸潤狀（局部滴狀）滲出，受結(jié)構(gòu)面切割及不時(shí)易在上、下游邊墻及頂拱出現(xiàn)局部不穩(wěn)定巖塊，樁號 0+07m0+20m 范圍內(nèi)，3 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)及技術(shù)分析3.1 工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)涌波，因此具有以下施工特點(diǎn)：（1）鉆爆開挖應(yīng)選擇合理的爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)，尤其是嚴(yán)格控制開挖輪完整性的破壞，達(dá)到盡可能減少洞壁巖體漏水、漏氣量的目的。（2）鋼罩混凝土施工首先應(yīng)嚴(yán)格控制氣室鋼罩拼接與安裝焊接的質(zhì)量，同3（3）施工場地受限，各工序之間相互

5、干擾大，且工期緊、工程量大，施工強(qiáng)度高，因此施工組織嚴(yán)密及協(xié)調(diào)性強(qiáng)是成功的保證。3.2 關(guān)鍵技術(shù)問題術(shù)主要集中在“洞室的開挖成型”和“保證閉氣性的封堵施工”兩個(gè)方面。4 研究目標(biāo)與技術(shù)路徑4.1 研究內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)法，形成成熟而有效的工法，為我公司類似工程施工提供借鑒和參考經(jīng)驗(yàn)。（1）為避免開挖造成巖石裂隙的擴(kuò)展而影響調(diào)壓室閉氣效果，選用合適的氣室開挖施工方法，將爆破擾動降至最低限度。（2）研究氣墊式調(diào)壓室鋼罩混凝土的施工技術(shù)，提高鋼罩的整體安裝精度及焊接質(zhì)量，確保氣室的閉氣性能。4.2 研究方法與技術(shù)路徑（1）研究總結(jié)已建成氣墊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行控制的基本理念和（2）組織專業(yè)施工隊(duì)伍

6、和具有豐富施工經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員進(jìn)行施工，并根據(jù)現(xiàn)場施工情況，優(yōu)化施工方案，確保工程在有序、高效、經(jīng)濟(jì)的模式下運(yùn)行。（3）通過工程施工實(shí)踐，進(jìn)一步研究、補(bǔ)充完善、總結(jié)氣墊式調(diào)壓室施工經(jīng)驗(yàn)和方法，達(dá)到期望的目標(biāo)。4.3 科研小組成立情況式調(diào)壓室施工技術(shù)研究科研小組，由我公司總工程師焦家訓(xùn)同志擔(dān)任科研組長，4組組成人員情況見表4-1。表 4-1 序號姓名性別出生日期技術(shù)職稱文化程度(學(xué)位)職務(wù)工作單位 分工1 男 高工 本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司項(xiàng)目總負(fù)責(zé)參與指導(dǎo)研發(fā)過程，組織2 男 工程師本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司項(xiàng)目立項(xiàng)，指導(dǎo)方案制定及實(shí)施，指導(dǎo)編制研究計(jì)劃3 男 工程師本科中國葛

7、洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司整理、分析，技術(shù)組織、質(zhì)量管理、檢驗(yàn)試驗(yàn)等工4 女 教高 本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司參與指導(dǎo)研發(fā)過程，指導(dǎo)報(bào)獎5 男 助工 本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司6 童 耀 男 高工 本科長中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司參與指導(dǎo)研發(fā)過程，指導(dǎo)報(bào)獎7 男 助工 本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司整理、分析，技術(shù)組織、質(zhì)量管理、檢驗(yàn)試驗(yàn)等工作8 文 麗 女 助工 中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司參與資料收集、整理、分析，參編成果報(bào)告，編寫報(bào)獎資料9 李 碩 男 工程師本科 中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司整理、分析，技術(shù)組織、質(zhì)量管理、檢驗(yàn)試驗(yàn)等工作10 葉發(fā)后 男 助工

8、本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司參與資料整理、分析，成11 楊 希 男 初級會計(jì)師本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司參與資料整理、分析，成512 敬 海 男 工程師本科中國葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司參與資料收集、整理、分析5 外掛鋼罩氣墊式調(diào)壓室施工方法研究與應(yīng)用5.1 氣室開挖方法研究5.1.1 施工程序 第層底板高程，采用 QZJ-100B 潛孔鉆鉆孔，邊墻預(yù)裂，梯段開挖。第層預(yù)留斜坡道拆除先期利用在第a 層設(shè)置的溜渣井出渣，待達(dá)到安全距離后，a 道和第a層為預(yù)留保護(hù)層，采用氣腿鉆水平鉆孔，光面爆破。爆破渣料全部采用 2.0m3側(cè)卸裝載機(jī)配15t 圖5-1 氣墊式調(diào)壓室開挖施工程序圖6圖

9、5-2 氣墊式調(diào)壓室開挖施工程序圖5.1.2鉆爆方案和爆破參數(shù)確定據(jù)爆破試驗(yàn)確定的氣墊式調(diào)壓室基本鉆爆參數(shù)如下：（1）第I 層爆破設(shè)計(jì)調(diào)壓室第I 層分3 個(gè)斷面開挖，中導(dǎo)洞（寬5m，高 7.5m）超前，兩側(cè)（各3.6m）擴(kuò)挖相繼跟進(jìn)。具體爆破參數(shù)見表5-1。表5-1 調(diào)壓室第一層開挖爆破參數(shù)表名 稱 單 位 雙側(cè)擴(kuò)挖 備 注 斷面形式 斷面 mm 5.07.6 23.67.0參數(shù)開挖面積 m2 鉆 具 YT-28鉆孔鉆具數(shù)量 臺 7 10參數(shù) 鉆孔直徑 mm 48 48掏槽形式 楔形掏槽7名 稱 單 位 雙側(cè)擴(kuò)挖 備 注空孔直徑 mm鉆孔數(shù)量 99 76鉆孔深(單孔) 3.5 3.5鉆孔總長

10、266 % 85.7 85.7進(jìn)尺 3.00 開挖體積 m3 /循環(huán) 127.95 130.16鉆孔速度 m / min 0.6 0.6純鉆孔時(shí)間 min/循環(huán) 208 160裝藥 總裝藥量 129 單耗藥量 kg/m3 1.01 0.72參數(shù)（2）梯段爆破設(shè)計(jì)梯段爆破開挖斷面鉆孔布置如下（具體布置由現(xiàn)場爆破實(shí)驗(yàn)確定）：布孔142 個(gè)，平均 1.2 個(gè)/m2，孔徑 42mm，孔深 3.5m；其中中部主爆孔孔距 150cm，排距為100cm，光爆孔孔距 50cm，炮孔布置見圖5-3。圖 5-3 典型梯段炮孔布置圖爆破設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表5-2。8表 5-2 梯段爆破設(shè)計(jì)參數(shù)表鉆孔 孔徑 孔深 孔距

11、藥徑 類別設(shè)備 (mm) (cm) (cm) (cm) (cm) (mm) （kg）手 42 350 150 100 100 32 2.1爆孔 風(fēng)鉆 42 350 50 32 1.4面孔梯段爆破開挖單次爆破裝藥量共 175kg，炮孔密度為 1.6 孔/m，最大單響為18.9kg。炸藥單耗為 0.82kg/m。5.2 氣室閉氣方法研究氣室斷面采用鋼筋混凝土夾鋼板的窄高型城門洞型，鋼板呈倒“U”形，內(nèi)水壓力和氣室氣體間的差壓。5.2.1 鋼罩混凝土襯砌工藝流程 預(yù)變形 砼 砼泵管安設(shè)拌 制澆筑混凝土運(yùn) 輸圖 5-4 氣墊式調(diào)壓室鋼罩襯砌工藝流程95.2.2 臺車設(shè)計(jì)、制安氣墊式調(diào)壓室開挖斷面為 1

12、02m17.2m12.2m（長高寬），襯砌后斷面為快施工進(jìn)度，自行設(shè)計(jì)加工鋼模臺車,在氣墊式調(diào)壓室內(nèi)鋪設(shè)軌道，安設(shè) 1 臺自 車設(shè)計(jì)圖詳見圖5-5、圖 5-6。圖5-5 調(diào)壓室鋼臺車正立面圖 圖 5-6 10圖 5-7 調(diào)壓室臺車（1）臺車主要材料選用主臺車立柱為 I28a 工字鋼（9m 高），副臺車立柱選用 I25a 工字鋼，下橫梁選用 I20a 工字鋼，頂部拱形梁及斜撐采用 I18a 工字鋼，底部橫梁選用 I32工字鋼，移動升降臺車采用 10 個(gè)300 的雙輪緣鋼輪行走，軌道選用 P43 標(biāo)準(zhǔn)（2）主要受力構(gòu)件計(jì)算載力。因局部存在超挖，計(jì)算襯砌厚度按100cm 頂部拱梁計(jì)算圖5-8 頂部拱

13、梁荷載圖 GB 50017-2003計(jì)算凈截面系數(shù)取 。受彎強(qiáng)度驗(yàn)算：最不利工況為：1.35D+0.98L，最不利截面位于第 1 個(gè)分段繞工字鋼橫軸彎矩： (-21.489)kNm計(jì)算：截面塑性發(fā)展系數(shù)2=1.2，3=1.05Wnx=181.3cm3Wny=25.676cm3An=30.125cm21=(-21.489)/181.3/1.05103=(-112.882)N/mm2215工字鋼縱軸受剪強(qiáng)度驗(yàn)算：最大剪力：61.695kN=61.695107.8/0.65/166010=61.638N/mm261.638125區(qū)段內(nèi)最大內(nèi)力為：繞橫軸彎矩： (-21.489)kNm計(jì)算x：軋制普通

14、工字鋼跨中無側(cè)向支承點(diǎn)查表B.2，可知b=1.7b=1.7235/235=1.7b0.6：b=1.07-0.282/b=1.07-0.282/1.7=0.9041取b=b=0.9041計(jì)算：截面塑性發(fā)展系數(shù)2=1.2，3=1.05b=0.904112y=1.2=-(1*(-21.489)/185/0.90411000=128.474N/mm2128.474215橫梁計(jì)算橫梁按連續(xù)梁受集中荷載進(jìn)行分析，其荷載圖如下：圖5-9 橫梁荷載圖 GB 50017-2003計(jì)算凈截面系數(shù)取 。受彎強(qiáng)度驗(yàn)算：最不利工況為：1.35D+0.98L，最不利截面位于第1 個(gè)分段繞工字鋼橫軸彎矩：Mx= (-0.1

15、583)kNm計(jì)算：截面塑性發(fā)展系數(shù)2=1.2，3=1.05Wnx=232.26cm3Wny=30.968cm3An=34.839cm2=-(-0.1583)/232.26/1.05103=0.6489N/mm20.6489215，合格！工字鋼縱軸受剪強(qiáng)度驗(yàn)算：最大剪力：V= 0.4559kN=0.4559137.8/0.7/237010=0.3786N/mm20.3786125，合格！ x 軸彎矩：Mx= (-0.1583)kNm13計(jì)算x：軋制普通工字鋼跨中無側(cè)向支承點(diǎn)查表B.2，可知b=2b=2235/235=2b0.6：b=1.07-0.282/b=1.07-0.282/2=0.929

16、取b=b=0.929計(jì)算：截面塑性發(fā)展系數(shù)2=1.2，3=1.05b=0.929y=1.2=-(1*(-0.1583)/237/0.9291000=0.7188N/mm20.7188215，合格！副臺車立柱計(jì)算 不利荷載副臺車8根立柱承受的重量為170.3t,8根立柱均承受垂直抗壓正應(yīng)力，則單根立柱承受的最大壓力為208.62KN.其材料為 28a工字鋼，計(jì)算長度取 3m。軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度，可按下式計(jì)算： = N/An f式中 N軸心壓力,取 N= 208.62 kN；An凈截面面積,取An= 5545 mm2；f鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取 f= 205 N/mm2；軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度= N

17、/ An = 208.62103 / 5545 = 37.623 N/mm2；= 37.623 N/mm2承載力設(shè)計(jì)值f=205 N/mm2,故滿足要求！軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性按下式計(jì)算：N/An f式中 N軸心壓力,取 N= 208.62 kN；l構(gòu)件的計(jì)算長度,取 l=3000 mm；i構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑,取 i=113 mm；14構(gòu)件的長細(xì)比, = l/i= 3000/113 = 26.549；構(gòu)件的允許長細(xì)比,取 =250 ；構(gòu)件的長細(xì)比= 26.549 = 軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù), =l/i計(jì)算得到的構(gòu)件柔度系數(shù)作為參數(shù)查表得 =0.946；An凈截面面積,取An= 5545 mm2；f鋼

18、材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取 f= 205 N/mm2；N/(An)=208.62103/(0.9465545)=39.771 N/mm2；由于= 39.771 N/mm2 承載力設(shè)計(jì)值f=205 N/mm2,故滿足要求！主臺車立柱計(jì)算 14根立柱承受的重量為380.6t,14266.42KN.其材料為28a 工字鋼。主臺車為單層門式框架，計(jì)算長度取9m。軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度，可按下式計(jì)算： = N/An f式中 N軸心壓力,取 N= 266.42 kN；An凈截面面積,取An= 5545 mm2；軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度= N / An = 266.42103 / 5545 = 48.047 N/mm；f

19、鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取 f= 205 N/mm；= 48.047 N/mm承載力設(shè)計(jì)值 f=205 N/mm2,故滿足要求！軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性按下式計(jì)算：N/An f式中 N軸心壓力,取 N= 266.42 kN；l構(gòu)件的計(jì)算長度,取 l=9000 mm；i構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑,取 i=113 mm；構(gòu)件的長細(xì)比, = l/i= 9000/113 = 79.646；構(gòu)件的允許長細(xì)比,取 =250 ；構(gòu)件的長細(xì)比= 79.646 = 15軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù), =l/i計(jì)算得到的構(gòu)件柔度系數(shù)作為參數(shù)查表得 =0.688；An凈截面面積,取An= 5545 mm2；f鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取 f=

20、 205 N/mm；N/(An)=266.42103/(0.6885545)=69.836 N/mm；由于= 69.836 N/mm2 承載力設(shè)計(jì)值f=205 N/mm2斜撐而在運(yùn)行過程中的晃動，并能增大立柱的穩(wěn)定性，對整個(gè)門架起穩(wěn)定平衡作用，增強(qiáng)整個(gè)框架的牢固，本工程臺車選用I18 5.2.3 氣室鋼罩的安裝（1）墻體鋼罩安裝對對接焊縫進(jìn)行分段焊接。（2）頂拱鋼罩安裝待鋼板落至臺車平臺并固定牢固后，通過臺車移動完成鋼板的平移工作。將頂板提升至設(shè)計(jì)安裝部位，用“Z”型錨固筋和鋼板線面焊接后固定位置，以16后與側(cè)邊墻和端墻的鋼襯對接焊縫連接，待所有焊縫都定位連接后，復(fù)核尺寸，測量符合設(shè)計(jì)要求后，

21、進(jìn)行分段加固焊接。（3）鋼罩的坡口選擇焊縫檢查選擇坡口的原則于母材厚度、焊接方法和工藝要求。選擇時(shí)，應(yīng)注意以下問題：焊后應(yīng)力和變形盡可能小。表5-3 不同型號坡口的比較坡口形式 比較條件加工 焊縫填充金屬量 焊件翻轉(zhuǎn) 焊后變形V 方便 較多 較大U 復(fù)雜 少 小X 方便 較少 需要 較小原設(shè)計(jì)技術(shù)要求鋼罩坡口為單面V X 坡口深約1/3（為鋼板厚），保證清根后坡口深度約為 1/2，同時(shí)使變形量內(nèi)外一致。內(nèi)坡口深約2/3，有利于提高效率。圖 5-10 X 17生未熔合、夾渣等缺陷；間隙過大，底層焊接難度增加，且使熔敷金屬增加。焊縫檢測原招標(biāo)文件中15.4.5 縫全長的百分比為100確判斷時(shí)，才用

22、射線復(fù)驗(yàn)。射線探傷抽查率為10%。人員健康有害，并且嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此，經(jīng)參建各方協(xié)商，且借鑒 TOFD檢測在其它工程中的成功應(yīng)用，將鋼罩檢測變更為“100%超聲波探傷檢測+20%TOFD復(fù)測”，使得 TOFD超聲成像檢測技術(shù)首次應(yīng)用在氣墊式調(diào)壓室中。圖 5-11 鋼罩TOFD 焊縫檢測18圖5-12 TOFD 檢測儀器成像圖TOFD超聲成像檢測技術(shù)的原理TOFD超聲成像檢測技術(shù)是 20世紀(jì) 70年代由英國哈威爾無損檢測中心首先射波，衍射能量可以在很大角度范圍內(nèi)傳播，基于這個(gè)原理，TOFD技術(shù)主要曹值。圖 5-13 工件中超聲波傳播路徑19圖 5-14 A 掃描信號與射線檢測相比，衍射時(shí)差

23、法超聲檢測有以下優(yōu)點(diǎn)。雖然衍射時(shí)差法超聲檢測的檢測結(jié)果與射線檢測的結(jié)果都能以二維圖像顯而射線檢測只能得到缺陷的俯視圖信息。程繁瑣，耗時(shí)長，效率低下。何污染，工作場地不需要特殊的安全保護(hù)措施，是一種環(huán)保的檢測方式。 UT檢測合格后 TOFD檢測發(fā)現(xiàn)異常并進(jìn)行解剖、處理的缺陷有8 處，根據(jù)圖譜特征判斷，其中5 處為根部未焊透，3處為氣孔，而實(shí)際檢查亦驗(yàn)證了TOFD 圖5-15 TOFD檢測結(jié)果 1 圖 5-16 TOFD檢測結(jié)果 2TOFD技術(shù)在氣墊式調(diào)壓室鋼罩焊縫質(zhì)量檢測中的成功應(yīng)用，不僅改善了電環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)、充分體現(xiàn)了現(xiàn)代水電建設(shè)中“以人為本”的科學(xué)發(fā)展觀理念。205.2.4混凝土澆筑地聯(lián)合承受機(jī)組負(fù)荷變化引起的地下水壓力和氣室氣體壓力之間的壓差。經(jīng)過試驗(yàn)，本工程微膨脹混凝土配合比如下：表 5-4 微膨脹混凝土配合比表澆筑完成后，敲擊檢查，無脫空現(xiàn)象。6 主要研究成果氣體漏失量大的問題，可以為氣墊式調(diào)壓室進(jìn)一步的推廣應(yīng)用提供參考。（1）民治電站氣墊式調(diào)壓室布置于微新巖體中