抽水蓄能电站压力钢管洞内运输卸车台架设计及应用

廖湘辉，何 彬，肖燕超，尹麒麟，程 创，钟先友

（三峡大学机械与动力学院，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

在水电建设中，压力钢管已普遍应用于大、中型水电站。压力钢管多为洞内埋管，因安装现场环境恶劣，吊装手段十分有限，影响施工安全的因素多，如何顺利将钢管运输至安装位置，需采取一些科学、安全可靠、灵活的施工方法。目前常用的运输方案存在运输过程中洞内空间不足、吊装手段十分有限、工程成本高和操作难度大等问题。同时，影响施工安全的因素也很多，因此选择合适的施工设备和方法来顺利实现压力钢管的安全可靠、科学高效运输及卸车成为一个亟待解决的难题。基于此，本文对压力钢管的洞内运输方式进行了探讨，设计了一种卸车台架，并对其结构进行了有限元校核分析。

1 工程概述

绩溪抽水蓄能电站位于安徽省绩溪县伏岭镇，靠近华东地区安徽皖江城市带用电负荷中心，在华东电网皖电东送输电通道上[1]。同所有采用压力钢管作为引水系统内衬的抽水蓄能电站一样，绩溪抽水蓄能电站的关键问题也体现在压力钢管的运输和卸车上。该电站引水隧洞压力钢管均采用洞内安装形式，考虑到隧洞的前期工作量和施工安全等因素，不宜采用吊装方式卸车，必须合理制定压力钢管的洞内运输方案。

2 压力钢管运输及卸车方案

2.1 压力钢管的运输

压力钢管的运输方式一般分为卧运和立运两种。卧运的特点是：钢管与汽车联系紧密、重心低、安全可靠、装车固定简单，但是对道路宽度要求高，运输时会影响其他车辆通行。立运的特点是：占用空间小、对公路宽度要求低、通过性能好，但是运输整体重心高、稳定性差，对路面质量要求高，汽车轮胎宽度大[2]。

绩溪抽水蓄能电站上斜井钢管洞外运输途经上下库连接公路，起点LK1+900，终点LK11+430，途经5个公路隧道，公路运输长9.53km；1号施工洞起点设在5号公路隧道中部（LK11+430），1号施工洞内汽车运输645m，汽车运输全长10.175km。压力钢管运输全过程中共有3种运输状态：公路运输、公路隧道运输和施工洞内运输[3]。其中，公路隧道运输时隧道最大高度不足5m（压力钢管长度为6m），故只能采取汽车卧运的运输方式转移钢管。

由于压力钢管采用汽车运输，其卸车方式可分为洞外卸车和洞内卸车。若采用洞外卸车，则需要在公路隧洞口布置龙门吊或租赁汽车吊，使压力钢管转移至洞内运输台车上，用牵引车将运输台车牵引至施工隧洞。但由于公路隧洞是上下库连接公路的一部分，属于交通要道，尤其是上库出渣车辆通行频繁，采取此方案会严重影响道路通行，故应采取洞内卸车的方式。洞内卸车若采用天锚卸车，则需在洞内扩挖一个汽车调头区、卷扬机洞室，但洞内施工情况恶劣，存在坍塌风险，会增加后期加固费用，严重影响工期。故运输汽车开到洞内卸车点后，如何将压力钢管在有限空间内稳定迅速可靠地转移至洞内运输台车上显得尤为重要。

针对工程难点，提出了液压顶卸车与天锚卸车、洞口龙门吊卸车3种方案，在对各种卸车方案从成本和工期角度对比分析发现，采用液压顶升式卸车台架不存在交叉施工，减少了土建和金属结构施工的相互干扰，且成本最小，因此本工程采用液压顶施工方案。该方案采用一种液压顶升式卸车台架，能顺利完成压力钢管的洞内运输要求，很好地避免了压力钢管洞内吊装的问题。

2.2 压力钢管的卸车流程

用汽车将压力钢管连带卸车台架运输至施工支洞与引水洞交叉口时（接近终点），将汽车停在施工支洞内。先将引水洞内的运输台车牵引到施工洞与引水洞交叉点上游侧，把钢管运输台车牵引至卸车点下游侧10m内以完成卸车前期准备工作。压力钢管和卸车台架的汽车运输状态示意见图1。

将钢管运输汽车车头朝向引水洞上游侧，驶进引水洞内，再倒车进入卸车点。汽车在进入卸车点时其宽度方向中心与台车轨道中心左右偏差在100mm以内，在倒车区应采用平行于台车轨道的倒车引导辅助线以保证汽车宽度中心与台车中心的偏差，距台车轨道中心线1500mm。汽车倒车时将汽车边与辅助线对齐，倒入卸车点。汽车中心线与台车中心线对准后，卸车台架的液压顶升千斤伸出，将钢管顶起至离地高度为1.2m，与汽车平台形成0.2m以上的间距，汽车往前开走，完成钢管卸车[4]。

图1 汽车运输状态示意图Figure 1 Schematic diagram of automobile transportation status

汽车开走后，将停在卸车点下游侧的运输台车牵引至钢管正下方[5]，卸车台架的液压顶升千斤开始下降，将钢管放置到洞内运输台车上。钢管放到运输台车上后，将卸车台架的下游侧弯梁结构的连接拆除，载有压力钢管的运输台车的下游侧开放，为运输台车驶离腾出了空间。当运输台车驶离后，将卸车台架拆除的弯梁重新连接，液压顶升千斤顶升卸车台架离地1.2m后，把汽车平板部分沿着倒车辅助线倒入卸车台架正下方，将液压顶升千斤收回下降，使卸车台架缓慢降落到汽车平板上，液压顶升卸车工序完成，汽车载着卸车台架返回钢管厂，重新装载压力钢管[6]。

卸车过程场地示意见图2。

3 卸车台架的结构设计及强度校核

3.1 卸车台架的结构设计

绩溪抽水蓄能电站引水隧洞压力钢管单节长度为3m，管壁外径为φ4.88m（壁厚40mm），环筋外径为φ5.18m，在钢管加工厂组焊为6m一节整体运输，总重约为3.2×104kg。因此，设计的卸车台架整体结构必须具有承载能力大、卸车安全稳定可靠、效率高等特点。同时，为了使卸车台架能顺利将压力钢管转移到运输台车上，并且有足够的空间离开压力钢管，因而弯梁的尺寸要受到限制。

图2 卸车过程场地示意图Figure 2 Schematic diagram of the unloading process site

针对压力钢管的卸车要求，把钢管支承座设计成与钢管弧度相一致的弧形支承弯梁结构，左右各设置一个，并避开压力钢管的环筋，不仅能使弯梁与钢管紧密接触增强受力特性，也能确保钢管接触区域的表面质量。两支承弯梁结构间通过两平行桁架结构联系成为一个整体，左侧弯梁结构与联系桁架采取可拆卸的活动连接方式，右侧弯梁结构与联系桁架固连，并焊接三角板进行加强，以增加整体结构的稳定性。支承弯梁两端均设有液压千斤顶支座，用于安装液压顶升千斤，以实现卸车台架的整体顶升和下降，卸车台架的结构见图3。

3.2 卸车台架的关键部位校核

卸车台架整体基本呈左右对称结构，只是左侧弯梁为实现可拆卸功能，采取铰支活动连接，并在底部装有行走装置；右侧弯梁转角处有为增强台架整体结构稳定性而设置的加强三角板。压力钢管在卸车过程中，其自身重量全部由左右两弯梁直接承载，故弯梁整体结构的强度和刚度能否满足要求直接关系到整个卸车过程能否顺利完成，因此有必要对其进行相关校核。根据设计内容，当液压顶升千斤处于完全顶升状态时，弯梁整体结构受力稳定性最差，在Solidworks中建立该弯梁在此状态下的三维简化实体模型，通过接口导入到Workbench中完成几何模型的建立，其所有材料均选用结构钢，相对应的弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。接触面均选用Bonded约束，网格按默认值自动划分。弯梁顶升状态有限元模型如图4所示。

图3 卸车台架的结构示意图Figure 3 Schematic diagram of the unloading platform

已知压力钢管的总重约为3.2×104kg，但出于对施工过程中可能出现的不定性因素的考虑，取设计值4.0×104kg，校核弯梁的结构强度。根据钢管与弯梁的实际接触情况，将单个弯梁所受的载荷等效于面载荷0.21MPa的形式均匀施加在弯梁的弧形段上表面；将一端液压顶升千斤底部进行固定约束，另一端只添加Y、Z两个方向的约束，其整体应变和整体应力分别如图5、图6所示。

图4 弯梁顶升状态有限元模型Figure 4 Finite element model of curved beam jacking state

图5 整体应变云图Figure 5 Overall strain cloud

卸车台架材料选用结构钢Q235，有限元计算结果表明，该弯梁结构的最大变形为5mm，出现在中部位置，并向两边发散，逐级减小，符合此结构的实际变形情况，其整体刚度满足要求；最大应力为155MPa，出现在液压顶升千斤的法兰连接位置附近，属于局部应力集中，故在此位置结构设计时应适当采取加强措施，但其主要应力基本集中在弯梁中部，应力值最大在100MPa左右，为材料的许用应力235MPa的42%左右，存在较大的余量，此结构的强度满足钢结构强度设计规范的相关标准。

图6 整体应力云图Figure 6 Overall stress cloud

4 结束语

以绩溪抽水蓄能电站为工程背景，满足工程的施工需求，制定了压力钢管从钢管加工厂到安装位置的运输及卸车方案，尤其是在卸车环节上，研制了一种装有液压顶升千斤的卸车台架，整个卸车过程占用空间小，安全可靠，效率高，能够实现洞内卸车，不仅使工期得到了保障，也很大程度上降低了卸车过程对交叉作业带来的负面影响，该压力钢管卸车台架在工程中已投入使用并达到了良好的使用效果，证明了卸车方案的可行性，能够起到节约项目成本，缩短工期的目的，对其他类似工程有很好的借鉴意义。