小断面长隧洞球墨铸铁承插引水管道快速安装

王亚莉,焦 俊

(长江岩土工程有限公司,武汉 430014)

近些年国家重视城乡居民饮用水安全,全国各地兴建了不少引水工程,其中很大一部分是通过特小断面隧洞内安装符合饮用水标准的承插管道将水源地的水引至水处理厂经过一系列处理后,供到千家万户。但因隧洞空间狭小,操作不便,管道安装速度缓慢[1-2],导致时间和经济成本居高不下。以丰顺县新区供水工程为例,通过改造管道安装设备和改进安装工艺,形成一套快速安全的特小断面承插管道施工工法。

1 工程概况

龙颈水库(项目水源地)距离大罗村水处理厂约6.582km,全线引水隧洞,隧洞开挖断面尺寸3.0m×3.0m,城门洞型(起拱线高度1.5m),开挖断面面积约8m2,是典型的小断面隧洞。管道铺设前须完成洞底石渣整平以及混凝土底板浇筑,厚度共计30cm。隧洞起点(水库)与终点(水处理厂)高程落差31.85m。隧洞开挖完成后,安装直径1.0m、壁厚K8且单根长度6.0m的球墨铸铁承插式管道引水,管道卧座在混凝土弧形管座上,管座两侧配有螺栓固定管箍,以限制管道位移。管道靠洞壁一侧安装,另一侧留出1.5m宽的巡查检修通道,每一根管道配置一个支墩。管道最大工作压力0.6MPa,过水量14.6万m3/d。

2 管道安装方法

管道工艺流程:施工准备→支墩安装→管道运输→管道安装→安装质量检查→清管与试压。

2.1 施工准备

在浇筑好的底板上标注出管道安装轴线,按照间隔6.0m的距离在浇筑好的混凝土底板上用木工墨斗弹设出支墩安放位置边缘线圈,确定支墩安装位置后,同时在洞壁侧用红油漆做出醒目标记。

2.2 支墩安装

2.2.1 支墩运输

支墩通过改装后的牵引车车厢运入洞内,运输过程中保持匀速慢行,控制车速约为5km/h,支墩与车体通过柔性材料垫支,防止支墩与车体磕碰破坏支墩。

2.2.2 支墩安放

支墩运输至放置位置后,牵引车停在检修通道上,叉车面向牵引车车厢尾部,将支墩卸载并放置于已标记好的线圈内,支墩边缘与墨斗弹出的线圈重合。不能一次到位的,用人工撬杠微调到位。

2.2.3 支墩对正调平

前后相邻两个支墩放置后需要通过激光水准仪的指示线将两个支墩位置调整,支墩卡槽高程根据设计要求也应处于相应高程,不得出现支墩高程差距过大导致管道安放时承插接口不严实,支墩高程偏差通过在支墩底部垫支水泥砂浆或薄钢板进行调整。

2.2.4 支墩固定

支墩安装到位后,按照设计图纸安装固定地锚,以确保支墩不发生位移。

2.3 管道安装

2.3.1 管道运输

管道从洞外通过吊车吊放至改装后的运输车上,分别用前、中、后三条链带与运输车捆绑固定,防止在运输过程中滚落,牵引车牵引运输车进入隧洞内。管道每根长度为6.0m,直径1.0m,安装断面尺寸仅为3.0m×2.7m(减去石渣和混凝土底板厚度),安装断面较狭小,而管道体积较大,牵引车牵引着装有管道的运输车在洞内无法掉头[3],因此洞外吊装时管道插口一端面向牵引车。在运输过程中需注意行车规范,确保管道不得与洞壁发生擦碰,尤其是遇到弯道时更需减速慢行通过。进入洞内后,牵引车头部背向倒退式抵近安装工作面。

2.3.2 管道安装

(1)当管道运至安装部位,管道承口端接近混凝土支墩20～30cm时,用骑架在已安装好的管道上且底脚带有滚动轮的龙门吊吊起管道插口端,龙门吊跟随牵引车一起后退至承口端与紧邻上一根已安装好的管道的插口端相距5～10cm。缓慢放松龙门吊吊绳,将管道搁在已经安装好并带有橡胶垫子的支墩上。支墩橡胶垫长度大于支墩卡槽弧长5cm。此时管道承口端距离管下支墩距离约40cm位置,管道由支墩和运输车轮轴部位两点支撑放置平衡。拔出牵引车与运输车间连接插销,牵引车驶离作业面,管道卸载完成。

(2)叉车前置货叉上横向放置枕木,枕木长度大于管道直径约20cm即可。叉车货叉插头用橡胶套包裹,插入管道插口端内,同时人工用毛刷清理管道承口灰尘和紧邻的上一根管道的插口端,且确保被安装管道密封圈槽位置不得留有油漆、土、沙和水等残留物。在紧邻上一根管道插口位置均匀涂刷润滑油,以减少承插过程中的摩擦阻力。

被安装管道承口端密封槽安装密封橡胶圈。密封橡胶圈安装采用“心”型或“十字”型法,密封圈放入后,应施加径向力使其放入密封槽内,并检查是否完全吻合。如不吻合,需调整至完全吻合方可。

(3)叉车以运输车车轮轴为支点,利用“杠杆原理”轻压被安装管道承口端以调整其承口端与上一根已安装好的管道插口端的空间位置。

(4)用叉车平稳均匀使力推动安装管道的插口处,将管道承口与上一根已安装好的管道插口对接,承插过程中注意观察安装管道的承口位置在已安装好的管道插口端处已经标记好的两条白杠之间即可,表明管道已安装到位[4]。管道承插完成后,将龙门吊移动至管道承口端附近,吊起管道1～2cm,将运输车取出,放入改装后的临时支墩支撑管道,临时支墩距离插口端50cm处,最后用管箍将管道固定在支墩上。

(5)每一承插口安装完成后,将金属直标尺插入承口内和管壁之间的环形空间直至碰到密封橡胶圈,沿管一周测量深度是否均匀。检查相连接的管周线是否同轴心,如果不同轴心,则须调整管垫或管座。

2.4 清管试压

管道安装后及时清理管道内的杂物,确保干净[5]。根据设计和规范要求每安装800～1 000m即进行一次水压试验,将管道浸泡48h后,高压注水泵注水将管道内水压升压至试验压力1.1MPa,稳压10min,观测承插口有无漏水和管身有没有破损渗水迹象。

3 管道安装的难点与对策

3.1 空气流通不畅,机械强排

因隧洞是下坡隧洞,这就导致安装机械工作时内燃机产生的易于上升的热空气废气汇集,靠废气的自然流动很难排出洞外,如不能及时排出,安装人员在洞内很不安全,易发生窒息安全事故。为此采取在支洞口外安装大功率轴流风机,通过直径500mm的风带源源不断地向洞内安装工作面处输送新鲜空气,确保安装工作面空气新鲜。同时安装人员带口罩且随身佩戴手持式空气检测仪,如有警报发声,则停止作业撤出洞外。

3.2 空间狭窄,改造设备

单根管道长度6.0m,质量2 060kg,使用人力安装,显然是不可行的,必须依靠机械操作。但是安装断面面积只有7.1m2,是典型的小断面狭窄空间,使用市场上现有运输机械则操作空间不足,导致安装进度非常缓慢,因此必须对现有设备进行改造,以适应快速安装需要。

3.2.1 运输车改造

改装后的运输车由一组轮轴和梁架组成,车架上设置弧形支撑架,在小断面隧洞中由牵引车牵引可实现自由转动。运输车长度为4m,宽度0.8m,见图1。

图1 运输车改造示意

3.2.2 牵引车改造

牵引车在牵引装有管道的运输车进入隧洞内的同时,车厢携带一个质量约612.5kg混凝土支墩,且在洞内从下游向上游(从低到高)倒退着前进,因此既不能体积太大,还需要有足够的动力,且动力能够适应长时间工作需要,因此现场采用燃油三轮农用车进行改造。其一是改造后轴轮距适应道路宽度,其二是在其尾部加装与运输车连接的便于分合的牵引装置,其三是改造车厢便于混凝土支墩的装卸。牵引车长度1.85m,宽度1.2m,见图2。

3.2.3 改装临时支墩

临时支墩采用工字钢焊接框架与滚动轮轴组成,滚动轮轴在管道安装时可减小管道与滚轴间摩擦力。临时支墩长0.8m,宽0.3m,高0.2m,见图3。

图3 临时支墩改造示意

3.2.4 龙门架改造

将龙门架改造成带有脚轮的可移动式龙门架,门架上安装电动葫芦。

3.3 运输管道时机械设备不能调头,直进倒退

改造后长度为1.85m的牵引车,牵引着长度为6.0m的运输车(装管道后,含管道长度)从支洞直进式入安装主洞内,而隧洞宽度仅有3.0m,无法实现洞内调头。当上游安装时,牵引车进入安装主洞后面向下游,倒退式将管道运送至上游工作面。当下游安装时,牵引车牵引着运输车沿着巡查检修通道到达下游安装工作面前方,而后同样倒退式将管道运送至下游工作面。

4 施工效果

4.1 速度快,效率高

本工程共安装球墨铸铁管1 097根,其中46根用手动葫芦链条辅以龙门吊相结合的老式方法施工,剩余的1 051根采用新方法实施,施工结束后统计管道安装效率如表1所示。

表1 两种方法施工效率统计表

从表1可见老式办法效率低速度慢,平均单根耗时3.74h,但采用新方法后平均单根耗时仅有1.70h,效率提高了1倍多。6.582km的管道24h连续安装(歇人不歇机),实际总耗时2.72个月安装完成,比原计划工期5.7个月提前了约3个月。

4.2 节省人力,降低成本

新方法通过大量使用改造后的小机械代替了人力完成重体力活的工作,人工只需要做一些辅助性轻体力工作,比如胶圈安装、涂抹润滑油、清扫管道、检查安装质量等,减轻了工作量;也大量节约用工数量,进一步降低了安装成本。同时设备改造都是在原有旧设备基础上进行简单的局部改造,因此成本也较低。

粗略估算,新方法的成本由于人工减少、工期缩短、管理费减少等等,比原定计划成本节约可达180万元之多。

4.3 方法简单、易掌握

本方法操作简单,对操作工人技术要求不高,经过简单培训即可掌握,可操作性强,适合全面推广使用。

4.4 安全

采用改装后的专用运输车运输管道和小型叉车推送顶入式安装方式,比用人力运输和人工链条拉紧承插方式,更加安全可靠。承插的时候,除了叉车驾驶员外,其余的工人都可远离工作面,即使出现可能性极小的承插口崩块等意外,也不会伤到安装工人。整条隧洞的管道安装期间没有发生任何安全问题。

5 结 语

针对小断面长隧洞内安装球墨铸铁管道施工空间有限的实际情况,适当地利用现有设备并加以改造,取得了良好的效果。随着科技的发展,制造出体积小巧、功能强大、操作更加简便的机械设备技术日趋成熟,不久的将来定会有更好的施工设备来彻底解决这个问题。