外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用

1、外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用二零二一年三月目 录1 项目立项背景与意义11.1 立项背景11.2 国内外研究现状11.3 立项意义12 工程概况22.1 工程概况22.2 工程地质条件33 工程特点、难点及技术分析33.1 工程的特点和难点33.2 关键技术问题44 研究目标与技术路径44.1 研究内容与预期目标44.2 研究方法与技术路径44.3 科研小组成立情况45 外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用65.1 气室开挖方法研究65.2 气室闭气方法研究96 主要研究成果217 主要创新点228 结语228.1 工程应用效果及评价228.2 经济效益238.3 社会效益231

2、项目立项背景与意义1.1 立项背景的电站，尤其适用于高水头、小流量的引水式电站和抽水蓄能电站。围岩闭气效果欠佳的情况下才考虑设置水幕闭气，即在气室上方设置一充水廊 用条形布置在气室的正上方，也可采用环形布置在气室的四周。1.2 国内外研究现状气垫式调压室于1973 年首先应用于挪威的 电站，21 世纪初被国内尝进行了改进，采用内挂钢罩1.3 立项意义 8对洞室稳定有一定的不利影响。因此，民治水电站的气垫式调压室要最终成型，就要通过合理的施工方法，既要能形成相应的地下洞室，又要保证气室不漏气。1参考，特立项进行此课题研究。2 工程概况2.1 工程概况88.0万 m 溉、防洪、漂木等综合利用要求。

3、我公司承包建设的民治水电站厂区枢纽工程属民治水电站第三合同段（即MZ/C标)，包括发电厂房、尾水系统、引水系统三大部分。 （宽）17.2m（高），衬砌后尺寸为100m（长）10.4m（宽）16m（高）。接隧洞长68.9m（连）0+000-（连）0+068.9）、调压室 100m(（调）0+000-（调）0+100)。（参见图2-1 厂区枢纽工程三维图）。图 2-1 22.2 工程地质条件民治水电站厂区枢纽工程位于龙门山北东向构造带之中央断裂的南西段之烈度为度。坡面基岩裸露，地形坡度一般为6070。（1）气垫式调压室布置于微新岩体中，微新的花岗岩属较高强度、较高模条件。据勘探资料，气垫式调压室轴

4、线与小断层等主要结构面多呈大角度相交，有利于洞室稳定，最大主应力方向约 125与调压室轴线交角较大，对洞室稳定有一定的不利影响，需采取适当的工程措施。（2）地下水主要沿结构面呈浸润状（局部滴状）渗出，受结构面切割及不时易在上、下游边墙及顶拱出现局部不稳定岩块，桩号 0+07m0+20m 范围内，3 工程特点、难点及技术分析3.1 工程的特点和难点涌波，因此具有以下施工特点：（1）钻爆开挖应选择合理的爆破参数和装药结构，尤其是严格控制开挖轮完整性的破坏，达到尽可能减少洞壁岩体漏水、漏气量的目的。（2）钢罩混凝土施工首先应严格控制气室钢罩拼接与安装焊接的质量，同3（3）施工场地受限，各工序之间相互

5、干扰大，且工期紧、工程量大，施工强度高，因此施工组织严密及协调性强是成功的保证。3.2 关键技术问题术主要集中在“洞室的开挖成型”和“保证闭气性的封堵施工”两个方面。4 研究目标与技术路径4.1 研究内容与预期目标法，形成成熟而有效的工法，为我公司类似工程施工提供借鉴和参考经验。（1）为避免开挖造成岩石裂隙的扩展而影响调压室闭气效果，选用合适的气室开挖施工方法，将爆破扰动降至最低限度。（2）研究气垫式调压室钢罩混凝土的施工技术，提高钢罩的整体安装精度及焊接质量，确保气室的闭气性能。4.2 研究方法与技术路径（1）研究总结已建成气垫式调压室的设计、施工及运行控制的基本理念和（2）组织专业施工队伍

6、和具有丰富施工经验的技术人员进行施工，并根据现场施工情况，优化施工方案，确保工程在有序、高效、经济的模式下运行。（3）通过工程施工实践，进一步研究、补充完善、总结气垫式调压室施工经验和方法，达到期望的目标。4.3 科研小组成立情况式调压室施工技术研究科研小组，由我公司总工程师焦家训同志担任科研组长，4组组成人员情况见表4-1。表 4-1 序号姓名性别出生日期技术职称文化程度(学位)职务工作单位 分工1 男 高工 本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司项目总负责参与指导研发过程，组织2 男 工程师本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司项目立项，指导方案制定及实施，指导编制研究计划3 男 工程师本科中国葛

7、洲坝集团基础工程有限公司整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工4 女 教高 本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程，指导报奖5 男 助工 本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司6 童 耀 男 高工 本科长中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程，指导报奖7 男 助工 本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工作8 文 丽 女 助工 中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料收集、整理、分析，参编成果报告，编写报奖资料9 李 硕 男 工程师本科 中国葛洲坝集团基础工程有限公司整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工作10 叶发后 男 助工

8、本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料整理、分析，成11 杨 希 男 初级会计师本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料整理、分析，成512 敬 海 男 工程师本科中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料收集、整理、分析5 外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用5.1 气室开挖方法研究5.1.1 施工程序 第层底板高程，采用 QZJ-100B 潜孔钻钻孔，边墙预裂，梯段开挖。第层预留斜坡道拆除先期利用在第a 层设置的溜渣井出渣，待达到安全距离后，a 道和第a层为预留保护层，采用气腿钻水平钻孔，光面爆破。爆破渣料全部采用 2.0m3侧卸装载机配15t 图5-1 气垫式调压室开挖施工程序图6图

9、5-2 气垫式调压室开挖施工程序图5.1.2钻爆方案和爆破参数确定据爆破试验确定的气垫式调压室基本钻爆参数如下：（1）第I 层爆破设计调压室第I 层分3 个断面开挖，中导洞（宽5m，高 7.5m）超前，两侧（各3.6m）扩挖相继跟进。具体爆破参数见表5-1。表5-1 调压室第一层开挖爆破参数表名 称 单 位 双侧扩挖 备 注 断面形式 断面 mm 5.07.6 23.67.0参数开挖面积 m2 钻 具 YT-28钻孔钻具数量 台 7 10参数 钻孔直径 mm 48 48掏槽形式 楔形掏槽7名 称 单 位 双侧扩挖 备 注空孔直径 mm钻孔数量 99 76钻孔深(单孔) 3.5 3.5钻孔总长

10、266 % 85.7 85.7进尺 3.00 开挖体积 m3 /循环 127.95 130.16钻孔速度 m / min 0.6 0.6纯钻孔时间 min/循环 208 160装药 总装药量 129 单耗药量 kg/m3 1.01 0.72参数（2）梯段爆破设计梯段爆破开挖断面钻孔布置如下（具体布置由现场爆破实验确定）：布孔142 个，平均 1.2 个/m2，孔径 42mm，孔深 3.5m；其中中部主爆孔孔距 150cm，排距为100cm，光爆孔孔距 50cm，炮孔布置见图5-3。图 5-3 典型梯段炮孔布置图爆破设计技术参数见表5-2。8表 5-2 梯段爆破设计参数表钻孔 孔径 孔深 孔距

11、药径 类别设备 (mm) (cm) (cm) (cm) (cm) (mm) （kg）手 42 350 150 100 100 32 2.1爆孔 风钻 42 350 50 32 1.4面孔梯段爆破开挖单次爆破装药量共 175kg，炮孔密度为 1.6 孔/m，最大单响为18.9kg。炸药单耗为 0.82kg/m。5.2 气室闭气方法研究气室断面采用钢筋混凝土夹钢板的窄高型城门洞型，钢板呈倒“U”形，内水压力和气室气体间的差压。5.2.1 钢罩混凝土衬砌工艺流程 预变形 砼 砼泵管安设拌 制浇筑混凝土运 输图 5-4 气垫式调压室钢罩衬砌工艺流程95.2.2 台车设计、制安气垫式调压室开挖断面为 1

12、02m17.2m12.2m（长高宽），衬砌后断面为快施工进度，自行设计加工钢模台车,在气垫式调压室内铺设轨道，安设 1 台自 车设计图详见图5-5、图 5-6。图5-5 调压室钢台车正立面图 图 5-6 10图 5-7 调压室台车（1）台车主要材料选用主台车立柱为 I28a 工字钢（9m 高），副台车立柱选用 I25a 工字钢，下横梁选用 I20a 工字钢，顶部拱形梁及斜撑采用 I18a 工字钢，底部横梁选用 I32工字钢，移动升降台车采用 10 个300 的双轮缘钢轮行走，轨道选用 P43 标准（2）主要受力构件计算载力。因局部存在超挖，计算衬砌厚度按100cm 顶部拱梁计算图5-8 顶部拱

13、梁荷载图 GB 50017-2003计算净截面系数取 。受弯强度验算：最不利工况为：1.35D+0.98L，最不利截面位于第 1 个分段绕工字钢横轴弯矩： (-21.489)kNm计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05Wnx=181.3cm3Wny=25.676cm3An=30.125cm21=(-21.489)/181.3/1.05103=(-112.882)N/mm2215工字钢纵轴受剪强度验算：最大剪力：61.695kN=61.695107.8/0.65/166010=61.638N/mm261.638125区段内最大内力为：绕横轴弯矩： (-21.489)kNm计算x：轧制普通

14、工字钢跨中无侧向支承点查表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计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05b=0.904112y=1.2=-(1*(-21.489)/185/0.90411000=128.474N/mm2128.474215横梁计算横梁按连续梁受集中荷载进行分析，其荷载图如下：图5-9 横梁荷载图 GB 50017-2003计算净截面系数取 。受弯强度验算：最不利工况为：1.35D+0.98L，最不利截面位于第1 个分段绕工字钢横轴弯矩：Mx= (-0.1

15、583)kNm计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05Wnx=232.26cm3Wny=30.968cm3An=34.839cm2=-(-0.1583)/232.26/1.05103=0.6489N/mm20.6489215，合格！工字钢纵轴受剪强度验算：最大剪力：V= 0.4559kN=0.4559137.8/0.7/237010=0.3786N/mm20.3786125，合格！ x 轴弯矩：Mx= (-0.1583)kNm13计算x：轧制普通工字钢跨中无侧向支承点查表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计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05b=0.929y=1.2=-(1*(-0.1583)/237/0.9291000=0.7188N/mm20.7188215，合格！副台车立柱计算 不利荷载副台车8根立柱承受的重量为170.3t,8根立柱均承受垂直抗压正应力，则单根立柱承受的最大压力为208.62KN.其材料为 28a工字钢，计算长度取 3m。轴心受压构件的强度，可按下式计算： = N/An f式中 N轴心压力,取 N= 208.62 kN；An净截面面积,取An= 5545 mm2；f钢材的抗压强度设计值，取 f= 205 N/mm2；轴心受压构件的强度= N

17、/ An = 208.62103 / 5545 = 37.623 N/mm2；= 37.623 N/mm2承载力设计值f=205 N/mm2,故满足要求！轴心受压构件的稳定性按下式计算：N/An f式中 N轴心压力,取 N= 208.62 kN；l构件的计算长度,取 l=3000 mm；i构件的回转半径,取 i=113 mm；14构件的长细比, = l/i= 3000/113 = 26.549；构件的允许长细比,取 =250 ；构件的长细比= 26.549 = 轴心受压构件的稳定系数, =l/i计算得到的构件柔度系数作为参数查表得 =0.946；An净截面面积,取An= 5545 mm2；f钢

18、材的抗压强度设计值，取 f= 205 N/mm2；N/(An)=208.62103/(0.9465545)=39.771 N/mm2；由于= 39.771 N/mm2 承载力设计值f=205 N/mm2,故满足要求！主台车立柱计算 14根立柱承受的重量为380.6t,14266.42KN.其材料为28a 工字钢。主台车为单层门式框架，计算长度取9m。轴心受压构件的强度，可按下式计算： = N/An f式中 N轴心压力,取 N= 266.42 kN；An净截面面积,取An= 5545 mm2；轴心受压构件的强度= N / An = 266.42103 / 5545 = 48.047 N/mm；f

19、钢材的抗压强度设计值，取 f= 205 N/mm；= 48.047 N/mm承载力设计值 f=205 N/mm2,故满足要求！轴心受压构件的稳定性按下式计算：N/An f式中 N轴心压力,取 N= 266.42 kN；l构件的计算长度,取 l=9000 mm；i构件的回转半径,取 i=113 mm；构件的长细比, = l/i= 9000/113 = 79.646；构件的允许长细比,取 =250 ；构件的长细比= 79.646 = 15轴心受压构件的稳定系数, =l/i计算得到的构件柔度系数作为参数查表得 =0.688；An净截面面积,取An= 5545 mm2；f钢材的抗压强度设计值，取 f=

20、 205 N/mm；N/(An)=266.42103/(0.6885545)=69.836 N/mm；由于= 69.836 N/mm2 承载力设计值f=205 N/mm2斜撑而在运行过程中的晃动，并能增大立柱的稳定性，对整个门架起稳定平衡作用，增强整个框架的牢固，本工程台车选用I18 5.2.3 气室钢罩的安装（1）墙体钢罩安装对对接焊缝进行分段焊接。（2）顶拱钢罩安装待钢板落至台车平台并固定牢固后，通过台车移动完成钢板的平移工作。将顶板提升至设计安装部位，用“Z”型锚固筋和钢板线面焊接后固定位置，以16后与侧边墙和端墙的钢衬对接焊缝连接，待所有焊缝都定位连接后，复核尺寸，测量符合设计要求后，

21、进行分段加固焊接。（3）钢罩的坡口选择焊缝检查选择坡口的原则于母材厚度、焊接方法和工艺要求。选择时，应注意以下问题：焊后应力和变形尽可能小。表5-3 不同型号坡口的比较坡口形式 比较条件加工 焊缝填充金属量 焊件翻转 焊后变形V 方便 较多 较大U 复杂 少 小X 方便 较少 需要 较小原设计技术要求钢罩坡口为单面V X 坡口深约1/3（为钢板厚），保证清根后坡口深度约为 1/2，同时使变形量内外一致。内坡口深约2/3，有利于提高效率。图 5-10 X 17生未熔合、夹渣等缺陷；间隙过大，底层焊接难度增加，且使熔敷金属增加。焊缝检测原招标文件中15.4.5 缝全长的百分比为100确判断时，才用

22、射线复验。射线探伤抽查率为10%。人员健康有害，并且严重影响施工进度。因此，经参建各方协商，且借鉴 TOFD检测在其它工程中的成功应用，将钢罩检测变更为“100%超声波探伤检测+20%TOFD复测”，使得 TOFD超声成像检测技术首次应用在气垫式调压室中。图 5-11 钢罩TOFD 焊缝检测18图5-12 TOFD 检测仪器成像图TOFD超声成像检测技术的原理TOFD超声成像检测技术是 20世纪 70年代由英国哈威尔无损检测中心首先射波，衍射能量可以在很大角度范围内传播，基于这个原理，TOFD技术主要曹值。图 5-13 工件中超声波传播路径19图 5-14 A 扫描信号与射线检测相比，衍射时差

23、法超声检测有以下优点。虽然衍射时差法超声检测的检测结果与射线检测的结果都能以二维图像显而射线检测只能得到缺陷的俯视图信息。程繁琐，耗时长，效率低下。何污染，工作场地不需要特殊的安全保护措施，是一种环保的检测方式。 UT检测合格后 TOFD检测发现异常并进行解剖、处理的缺陷有8 处，根据图谱特征判断，其中5 处为根部未焊透，3处为气孔，而实际检查亦验证了TOFD 图5-15 TOFD检测结果 1 图 5-16 TOFD检测结果 2TOFD技术在气垫式调压室钢罩焊缝质量检测中的成功应用，不仅改善了电环保风险、充分体现了现代水电建设中“以人为本”的科学发展观理念。205.2.4混凝土浇筑地联合承受机组负荷变化引起的地下水压力和气室气体压力之间的压差。经过试验，本工程微膨胀混凝土配合比如下：表 5-4 微膨胀混凝土配合比表浇筑完成后，敲击检查，无脱空现象。6 主要研究成果气体漏失量大的问题，可以为气垫式调压室进一步的推广应用提供参考。（1）民治电站气垫式调压室布置于微新岩体中