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1、外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用中国葛洲坝集团基础工程有限公司中国葛洲坝集团基础工程有限公司二零一六年三月二零一六年三月课题名称：外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用课题负责单位：中国葛洲坝集团基础工程有限公司课题负责人：苟永平项目执行负责人：李韶武主要研究人员：苟永平李韶武梁成刚张玉莉高佑国童耀徐艳云文丽李硕叶发后杨希敬海目录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

2、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.2311 1 项目立项背景与意义项目立项背景与意义1.11.1 立项背景立项背景气垫式调压室又称为封闭式调压室，利用气垫内空气的膨胀以及压缩控制调压室内水位的张罗幅度。气垫式调压室具有布置灵活、施工方便、经济环保、安全可靠等优点，可适用于地形险

3、峻、岩体质量较好、布置常规开敞式调压室困难的电站，尤其适用于高水头、小流量的引水式电站和抽水蓄能电站。由于地质条件的不同，国外的气垫式调压室大多利用围岩自身闭气，只有在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道，并在廊道四周底角钻一系列深孔，孔内充满高压水，形成一个覆盖气室顶部及边墙的伞状水幕，水幕水压高于气室压力 0.30.5MPa，人为增大气室外围的地下水压力，使气室的漏气通道中朝向气室的压力梯度始终保持正值，避免内气外渗。自一里、小天都电站均采用了水幕闭气方式。根据情况，水幕廊道可以采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。1.21.2 国内外

4、研究现状国内外研究现状气垫式调压室于 1973 年首先应用于挪威的 Driva 电站，21 世纪初被国内尝试用于青海的大干沟水电站，而国内第一个完整引用气垫式调压室的为自一里水电站。因设计经验、地质条件等因素的影响，水幕闭气在国内的应用效果不理想。金康电站开始尝试使用钢罩闭气，该工程采用“夹心式”钢罩方案，并设置平压系统平衡钢罩内外侧的压力。由于钢罩闭气效果优于水幕，木座电站沿用了这一闭气形式。但夹心式钢包施工程序复杂，施工难度大，因此民治电站对钢包方案进行了改进，采用内挂钢罩+平压腔形式进行施工。1.31.3 立项意义立项意义根据探硐揭示的地质情况，民治电站气垫式调压室布置于微新岩体中，花岗

5、岩中裂隙较发育，布有 8 条小断层。岩体最大主应力方向与调压室轴线交角较大，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。因此，我部对外挂钢罩气垫式调压室施工的关键技术进行了认真、细致的研究和实践，形成了一套成熟而有效的施工方法，解决了复杂区域地质环境中建造气垫2式调压室高压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，特立项进行此课题研究。2 2 工程概况工程概况2.12.1 工程概况工程概况民治水电站位于四川省雅安市宝兴县境内的东河上，为宝兴河梯级开发的第二级。民治水电站采用拦河

6、闸坝长隧洞引水至地下厂房发电方式，水库总库容为88.0 万 m3，电站装机三台，装机容量为 105MW。电站开发任务主要为发电，无灌溉、防洪、漂木等综合利用要求。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。调压室位于引水隧道（隧）7+878.122 左侧，开挖尺寸为 102m（长）12.2m（宽）17.2m（高），衬砌后尺寸为 100m（长）10.4m（宽）16m（高）。因开挖过程中遇围岩破碎地带，设计将调压室向山体内侧进行了平移，调整后连接隧洞长 68.9m（连）0+000-（连）0+068.9）、调压室 100m(

7、（调）0+000-（调）0+100)。（参见图 2-1 厂区枢纽工程三维图）。图 2-1厂区枢纽工程三维图32.22.2 工程地质条件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盐井断裂南东侧，区域构造背景较复杂。工程区历史及现今地震活动不强，据国家地震局地质研究所对工程场地地震安全性评价结果，民治水电站场地地震基本烈度为度。气垫式调压室位于晋宁澄江期斜长花岗岩及少量辉绿岩脉的岩体中，自然边坡高陡，除局部缓坡及小型冲沟堆积不厚的崩坡积、洪积碎砾石土外，大部分坡面基岩裸露，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

8、量、完整性较好的岩体，以类围岩为主，仅局部辉绿岩脉因岩石强度相对较低，裂隙发育，岩体完整性差，属类，随机分布的小断层属类，总体上具备成洞条件。据勘探资料，气垫式调压室轴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，受结构面切割及不利组合和地下水影响，围岩稳定性较差，以类围岩为主，局部类围岩。施工时易在上、下游边墙及顶拱出现局部不稳定岩块，桩号 0+07m0+20m 范围内，裂隙密集发育，具碎裂镶嵌结构，分布有石英脉或石英团块，岩体完整性差，属

9、类围岩。3 3 工程特点工程特点、难点及技术分析难点及技术分析3.13.1 工程的特点和难点工程的特点和难点气垫式调压室由岩壁、钢罩和水面围成封闭式气室并利用气垫来控制水锤和涌波，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廓线的爆破，最大限度地减小开挖爆破对气室整体围岩的扰动以及对开挖线岩面完整性的破坏，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4时采取相应的措施使钢罩后的回填混凝土与钢罩结合紧密，既能确保气室闭气性能，又能有效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

10、的压差。（3）施工场地受限，各工序之间相互干扰大，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。3.23.2 关键技术问题关键技术问题民治水电站的气垫式调压室要最终形成，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。为此，气垫式调压室施工的关键技术主要集中在“洞室的开挖成型”和“保证闭气性的封堵施工”两个方面。4 4 研究目标与技术路径研究目标与技术路径4.14.1 研究内容与预期目标研究内容与预期目标通过民治水电站气垫式调压室的施工，研究并改进气室的开挖及密闭施工方法，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

11、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。4.24.2 研究方法与技术路径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实践经验，并针对本工程实际条件，选取合适的施工方案，保证质量，提高工效。（2）组织专业施工队伍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

12、望的目标。4.34.3 科研小组成立情况科研小组成立情况为了能够安全、高效、优质地完成本项目的科研任务，特成立外挂钢罩气垫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，5并由公司地下工程研究所主要负责机具与工艺研究，以利于推动项目的研发进度和实施。结合本工程实际情况，对外挂钢罩气垫式调压室施工技术进行研究。小组组成人员情况见表 4-1。表 4-1科研小组成员情况统计表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苟永平男1973.09.01高工本科公 司副 总中国葛洲坝集团基础工程有限公司项目总负责2李韶武男1983.03.09工程师本科项 目经 理中国

13、葛洲坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程，组织项目立项，指导方案制定及实施，指导编制研究计划3梁成刚男1985.05.31工程师本科项 目副 总工中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制，资料收集、整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工作，指导研发过程4张玉莉女1966.03.02教高本科公 司科信 部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5高佑国男1986.03.26助工本科项 目副 总工中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制，资料收集、整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工作，主编成果报告6童耀男1974.10.10高工本科公 司科信 副部长中国葛洲

14、坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程，指导报奖7徐艳云男1990.10.07助工本科项 目技 术部副 部长中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制，资料收集、整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工作8文丽女1987.09.17助工双学士公 司科 信部科 员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1986.04.04工程师本科项 目中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制，资料收集、整理、分析，技术组织、质量管理、检验试验等工作10叶发后男1986.12.28助工本科项 目经 营副部 长中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料整理、分析

15、，成本分析11杨希男1989.01.30初级会计师本科项 目会 计中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料整理、分析，成本分析612敬海男1982.09.23工程师本科公 司集 采副部 长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 5 外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用5.15.1 气室开挖方法研究气室开挖方法研究气垫式调压室要求不漏水、不漏气，为了避免开挖造成岩石裂隙的扩展而影响闭气，必须对气室开挖方法进行创新。经多方面研究与实践，“短进尺分层开挖，中间导洞超前，扩挖支护跟进，周边光面爆破”的气室开挖方法，可将爆破扰动降至最低限度。5.1

16、.15.1.1 施工程序施工程序气垫式调压室分三层施工，第层开挖由调压室施工支洞进入工作面，采取中导洞（宽 5m，高 7.5m）超前，两侧（各 3.6m）扩挖相继跟进，自制移动平台配气腿钻钻爆，周边光面爆破。第层开挖采用调压室施工支洞接预留斜坡道至第层底板高程，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层跟进施工，第层预留斜坡道渣料利用a 层通道进行出渣，第层预留斜坡道和第a 层均采用梯段施工，先期边墙预裂，QZJ-100B 潜孔钻钻孔。第b 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

17、2.0m3侧卸装载机配 15t 自卸汽车运输。图 5-1气垫式调压室开挖施工程序图7图 5-2气垫式调压室开挖施工程序图5.1.25.1.2 钻爆方案和爆破参数确定钻爆方案和爆破参数确定根据气垫式调压室的运行要求、结合实际地质条件和岩性，确定了合理的钻爆参数以保证调压室开挖面的平整度，减少爆破对围岩的扰动，使围岩的松动范围、爆破应力和裂缝达到最小，将围岩的透水率控制在设计允许的范围内。在气室连接洞与气垫式调压室交叉段进行开挖钻爆试验，以选择合理的钻爆参数。根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）

18、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 位中导洞双侧扩挖备注断面参数断面形式城门型宽高mm5.07.623.67.0开挖面积m236.1638.28钻孔参数钻具YT-28 手风钻YT-28 手风钻钻具数量台710钻孔直径mm4848掏槽形式楔形掏槽8名 称单 位中导洞双侧扩挖备注空孔直径mm钻孔数量个/循环9976钻孔深(单孔)m/循环3.53.5钻孔总长m/循环346.5266进尺率%85.785.7进尺m/循环3.003.00开挖体积m3/循环127.95130.16钻孔速度m/min0.60.6纯钻孔时间min/循环2

19、08160装药参数总装药量kg/循环12994.44单耗药量kg/m31.010.72（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。9表 5-2梯段爆破设计参数表钻孔设备类别孔径(mm)孔深(cm)孔距(cm)孔排距(cm)抵抗线(cm)药径(mm)装药量（kg）手风钻中部主爆孔42350150100100322.1侧墙光面孔4235050

20、321.4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/m3。5.25.2 气室闭气方法研究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，内嵌在钢筋混凝土中，钢筋混凝土可固定钢板和承受机组丢弃或增负荷引起的地下水压力和气室气体间的差压。5.2.15.2.1 钢罩混凝土衬砌工艺流程钢罩混凝土衬砌工艺流程图 5-4气垫式调压室钢罩衬砌工艺流程预变形矫正、复测对接、对焊钢罩制安准备材料矫正、放样平场地、搭平台划线、下料零部件校正组装，焊接钢罩除锈、防腐分部件运输端头模板安装砼泵管安设浇筑混凝

21、土平压仓钢板安装砼拌制运输接触、回填灌浆清理、验收钢罩安装探伤施工准备工作测量复测放线插筋孔、插筋安装钢筋钢筋加工车丝105.2.25.2.2 台车设计台车设计、制安制安气垫式调压室开挖断面为 102m17.2m12.2m（长高宽），衬砌后断面为 100m16m10.4m（长高宽）,需要进行钢筋安装、钢罩安装、砼浇筑和模板拆装，施工相互干扰大，采用脚手架搭拆施工，势必影响工程进度。为加快施工进度，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 台自行式钢模台车，台车设计尺寸为 9m8m16m（长宽高），台车为门型工装架结构，主要由受力牵引平移的主台车和在主台车之上由螺旋千斤顶负责升降

22、的副台车构成。台车顶部安设栏杆，满铺马道板，下部挂设安全网，台车上设有固定照明，上下爬梯，垂直砼泵管，电焊机，安全警示标志等，确保施工安全。台车设计图详见图 5-5、图 5-6。图 5-5 调压室钢台车正立面图图 5-6 调压室台车侧立面图11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 标准轨道。（2）主要受力构件计算钢罩在安装后因自稳定性不考虑其在台车

23、上的荷载，台车仅考虑混凝土的承载力。因局部存在超挖，计算衬砌厚度按 100cm 考虑。顶部拱梁计算拱梁荷载为顶拱混凝土自重产生的均布荷载，简化为连续梁进行分析，其荷载图如下：图 5-8顶部拱梁荷载图12计算时叠加自重，采用钢结构设计规范 GB 50017-2003进行验算，强度计算净截面系数取 0.98。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 个分段尾端。绕工字钢横轴弯矩：Mx=(-21.489)kNm计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05验算强度：考虑净截面折减：Wnx=181.3cm3Wny=25.676cm3An=30.125cm21=(-21.

24、489)/181.3/1.05103=(-112.882)N/mm2112.882215，合格！工字钢纵轴受剪强度验算：最大剪力：V=61.695kN=61.695107.8/0.65/166010=61.638N/mm261.638125，合格！整稳验算：区段内最大内力为：绕横轴弯矩：Mx=(-21.489)kNm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=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=1.05验算整稳：b=0.904113y=

25、1.2=-(1*(-21.489)/185/0.90411000=128.474N/mm2128.474215，合格！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横梁荷载图计算时叠加自重，采用钢结构设计规范 GB 50017-2003进行验算；强度计算净截面系数取 0.98。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 个分段尾端。绕工字钢横轴弯矩：Mx=(-0.1583)kNm计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05验算强度：考虑净截面折减：Wnx=232.26cm3Wny=30.968cm3An=34.839cm2=-(-0.1583)

26、/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！整稳验算：区段内最大内力为：绕 x 轴弯矩：Mx=(-0.1583)kNm14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取b=b=0.929计算：截面塑性发展系数2=1.2，3=1.05验算整稳：b=0.929y=1.2=-(1*(-0.1583)/

27、237/0.9291000=0.7188N/mm20.7188215，合格！副台车立柱计算混凝土自重：2.5*16.3*4*1=160.3t，副台车自重：20t，单幅 10t。则按最不利荷载副台车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/An=208.62103/5545=3

28、7.623 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；15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 =250，满足要求；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钢材的抗压强度设计值，取 f=205 N/mm2；N/(An)

29、=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！主台车立柱计算主台车自重：40t，则按最不利荷载主台车14根立柱承受的重量为 380.6t,14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 266.42KN.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

30、N/mm2；f钢材的抗压强度设计值，取 f=205 N/mm2；=48.047 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=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 =250，满足要求；16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，

31、取 f=205 N/mm2；N/(An)=266.42103/(0.6885545)=69.836 N/mm2；由于=69.836 N/mm2承载力设计值 f=205 N/mm2,故满足要求！斜撑斜撑的主要作用是承受顶横梁自重造成的下垂挠度，稳定顶横梁因连接过长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 工字钢做斜撑使用。5.2.35.2.3 气室钢罩的安装气室钢罩的安装（1）墙体钢罩安装钢衬依次分片从交通洞直接运输到调压室内，使用钢模台车上的设置的卸车和安装的吊装设备，采用手动葫芦配合，将钢衬移动到内侧端墙位置，再用手动葫

32、芦和千斤顶相互配合，将钢衬分段提升至安装的位置，测量钢衬尺寸达到设计要求和高程后，用“Z”型锚固筋和钢板线面焊接后固定位置，以提高安装精度，并在容易引起变形的部位增加支撑钢板或者支撑钢筋，然后对钢衬对接缝贴背面加强板和压缝，压缝完成后测量各部位尺寸是否符合设计尺寸，测量符合要求后，根据图纸要求布置锚固筋，在布置加固锚筋的过程中，应反复测量钢衬的平面度和垂直度进行调整后定位加固，确定所有尺寸满足设计要求后，焊接锚固筋，在对对接焊缝进行分段焊接。（2）顶拱钢罩安装侧边墙钢衬安装完毕后，按照制作时所排的编号运输弧形顶板钢衬至安装现场，焊接吊耳，使用卷扬机将钢板起吊至顶拱位置后，再将台车移动至钢板下方

33、，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。使用手拉葫芦依次分段对顶板钢板进行弧度和位置调整，调整完毕后进行尺寸测量，测量符合设计要求后，焊接内缝使钢板连接为整体，用台车上的千斤顶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17提高安装精度，并在容易引起变形的部位增加支撑板或者支撑钢筋，然后对钢衬对接缝贴背面加强板和压缝，在压缝的施工过程中要反复校核顶板弧形尺寸，然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，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为获得高质量的焊接接头，应选择适当

34、的坡口形式。坡口的选择，主要取决于母材厚度、焊接方法和工艺要求。选择时，应注意以下问题：尽量减少填充金属量。坡口形状容易加工。便于焊工操作和清渣。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方便较多不需要较大U复杂少不需要小X方便较少需要较小原设计技术要求钢罩坡口为单面 V 形坡口，施工中发现返修率较高且焊后应力和变形较大，因此根据焊接工艺试验，将钢罩坡口变更为非对称 X 形坡口。外坡口深约 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非对称 X 形坡口18

35、施工中钢罩坡口错边及间隙严格控制。坡口错边量过大，焊缝外观成形不易控制，且容易产生应力集中；间隙过小，不易焊透，造成背缝清根时过深，易产生未熔合、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 要求：气垫式调压室钢罩焊缝无损超声波探伤长度占焊缝全长的百分比为 100，钢罩的二类焊缝只在超声波探伤有可疑波形、不能准确判断时，才用射线复验。射线探伤抽查率为 10%。气垫式调压室埋深较大，气室内空气湿度大，灰尘含量多，土建施工和金属结构施工同时进行，工期十分紧张。如果进行射线检测，检测周期长，对生产人员健康有害，并且严重影响施工进度。因此，经参建各方协商

36、，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19图 5-12TOFD 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提出的。超声波入射到线性缺陷时，在缺陷的两端除普通的反射波外还会产生衍射波，衍射能量可以在很大角度范围内传播，基于这个原理，TOFD 技术主要曹勇一发一收两个探头，发射探头发射横向纵波，沿表面传播的一束声波和工件背面的镜面反射被接收探头接收，

37、形成固有的参考信号：焊缝中的横向纵波遇到缺陷后在缺陷尖端产生衍射波，如果缺陷有足够的自身高度，缺陷两端点的信号在时间上将是可分辨的，根据所记录的衍射信号传播时差就可以判定缺陷高度的量值。图 5-13工件中超声波传播路径20图 5-14缺陷处 A 扫描信号与射线检测相比，衍射时差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示，且都能够存档，但衍射时差法超声检测能对缺陷的深度和高度进行精确测量，而射线检测只能得到缺陷的俯视图信息。对于壁厚较大的焊缝，衍射时差法超声检测比射线检测的灵敏度、缺陷检出率高。衍射时差法超声检测操作简单，扫查速度快，检测效率高。而射

38、线检测过程繁琐，耗时长，效率低下。与射线检测相比，衍射时差法超声检测对人员没有任何伤害，对环境没有任何污染，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。目前已完成的钢罩焊接的焊缝检测，经 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 检测结果。图 5-15TOFD 检测结果 1图 5-16TOFD 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，不仅改善了电站施工的工作条件、提高了设备的焊接质量，而且缩短了关键工期、较少了潜在环保风险、充分体现了现

39、代水电建设中“以人为本”的科学发展观理念。215.2.45.2.4 混凝土浇筑混凝土浇筑微膨胀混凝土是通过膨胀剂在混凝土或砂浆中引起的膨胀，依靠膨胀剂本身的化学反应或与水泥其它成分反应，在水化期产生一定的限制膨胀，以补偿混凝土的收缩。膨胀剂的主要类型有：硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化钙-硫铝酸钙类、氧化镁类。气垫式调压室中的钢罩混凝土充分利用了微膨胀补偿收缩这一他行，减少混凝土的干缩裂缝，使其和钢罩形成一个整体，既能确保气室闭气性能，又能有效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

40、脱空现象。6 6 主要研究成果主要研究成果由于外挂钢罩气垫式调压室属于尚新的一个课题，在国内的应用总体上还处于半理论半经验的状态，没有完善的规范可循。通过本工程持续的总结研究，以及不断改进完善的施工实践和现场施工优化，我们形成了一套成熟而有效的外挂钢罩气垫式调压室施工工法，解决了复杂区域地质环境中建造气垫式调压室高压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，以类围岩为主，局部辉绿岩脉因岩石强度相对较低、裂隙发育、岩体完整性差，属类，随机分布的小断层属类。为避免开挖造成岩石裂隙的扩展而影响调压室闭气效果，采用了“短进尺分层开挖，中

41、间导洞超前，扩挖支护跟进，周边光面爆破”的气室开挖施工方法，将爆破扰动降至最低限度。（2）针对气室内空间狭小，又要同时进行钢筋、钢罩、脚手架的安装以及混凝土浇筑等工作，工序复杂，施工干扰大，导致施工进度非常缓慢的问题，设计制作一台多功能钢台车，台车由框架部分、行走部分、多层平台、顶拱升降部22分组成，同时应用于钢筋安装、钢罩安装焊接及混凝土衬砌施工，很好的保证了施工质量和施工安全，加快了施工进度。（3）为防止钢罩变位影响整体安装精度，将固定钢板的锚固筋由“L”型更改为“Z”型；将锚固筋和钢板间的点对面焊接更改为线对面焊接；为保证气室钢罩的焊接质量，提高一次性焊接合格率，减少返修对焊缝接头组织及

42、性能的影响，将钢板的坡口由计划的单面“V”型坡口更改为双面“X”型坡口施焊；焊接完成后焊缝均采用“100%超声波探伤检测+20%TOFD 复测”的方式确保钢罩的闭气性。（4）钢罩混凝土施工采用微膨胀混凝土进行衬砌，利用其补偿收缩的性能，使之与钢罩紧密结合，既确保了气室的闭气性能，又能有效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。7 7 主要创新点主要创新点（1）采用“短进尺分层开挖，中间导洞超前，扩挖支护跟进，周边光面爆破”的气室开挖施工方法，避免开挖造成岩石裂隙而影响闭气。（2）针对气室空间狭小、工序施工干扰大的问题，研发了一种多功能钢台车，可同时应用于钢筋安装、钢罩安

43、装焊接及混凝土衬砌施工，大大提高了施工功效。（3）针对气垫式调压室钢罩焊接的难题，采用“锚固筋与钢罩间线对面焊接”+“钢罩双面X型坡口施焊”+“100%超声波探伤检测+20%TOFD 复测”的方法，提高钢罩的安装精度及焊接的一次性合格率，并确保焊接的质量。（4）针对气垫式调压室易发生漏气的难题，采用钢罩闭气方案，且钢罩与钢筋混凝土间采用微膨胀混凝土衬砌，大大提高了气室的闭气性能。8 8 结语结语8.18.1 工程应用效果及评价工程应用效果及评价中国葛洲坝集团基础工程有限公司积极组织人员成立研究小组，通过持续的总结研究和施工优化，形成了一套成熟而有效的施工工法，解决了复杂地质条件下气垫式调压室施

44、工中高压气体易漏失的问题。该公司在工程中研发的多功能钢23台车，解决了气垫式调压室空间狭小、工序施工干扰大的问题；研发的“100%超声波探伤检测+20%TOFD 复测”的钢罩检测方法，将 TOFD 超声成像检测技术首次应用在气垫式调压室中，提高了设备的焊接质量，缩短了工期。通过该系列技术措施改进、创新及应用，在保证安全和质量的前提下，解决了复杂地质条件下气垫式调压室的施工难题，提高了施工效率，缩短了施工工期，较好地完成了设计目标。8.28.2 经济效益经济效益在气垫式调压室施工过程中，通过不断的摸索和总结，进行技术措施改进、创新与应用，在保证安全和质量的前提下，将常规的射线探伤变更为 TOFD

45、 超声成像检测，施工中研发了一种多功能钢台车，同时应用于钢筋安装、钢罩安装焊接及混凝土衬砌施工，大大提高了施工功效，整个工程施工工期最少缩短 3个月，避免了原方案施工导致的大量资源、成本投入，显著降低了工程造价。气垫式调压室施工通过施工技术的改进、创新与应用，节约成本 127.06 万元，有效缩短了施工周期，显著降低了施工风险，取得了良好的经济效益。8.8.3 3 社会效益社会效益通过对外挂钢罩气垫式调压室施工技术成果的综合评价分析，可以得出以下结论：多功能钢台车在施工过程中发挥的显著的作业，有效缩短了施工工期，为以后类似工程的施工提供施工参考数据及可操作性技术指导。通过TOFD超声成像检测技术在气垫式调压室中的首次应用，不仅改善了电站施工的工作条件、提高了设备的焊接质量，而且缩短了关键工期、较少了潜在环保风险、充分体现了现代水电建设中“以人为本”的科学发展观理念，具有广泛的社会效益。随着我国中小型水电站的持续开发，外挂钢罩气垫式调压室的施工将越来越普遍。该项研究成果较好地解决了复杂区域地质环境中建造气垫式调压室高压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，具有良好的社会效益。