沉管隧道鋼端殼安裝精度控制

劉 凱，陳 霞

(1.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003;2.聊城大學建筑工程學院，山東聊城 252059)

0 引言

沉管隧道主要有鋼端殼管段隧道和混凝土管段隧道。沉管混凝土隧道最早出現(xiàn)在歐洲，荷蘭于20世紀60年代發(fā)明了舉世聞名的GINA止水帶，混凝土管段沉管施工方法得到了極大的簡化和優(yōu)化，開始在世界上廣為推廣，現(xiàn)今世界已建成了40多座混凝土管段沉管隧道。

鋼端殼安裝在混凝土管段的2個端頭，與管段混凝土連為一體，主要作用是在連接各管段接頭時，安裝GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶，供管段沉放期間管段結合使用。混凝土沉管隧道管段間采用柔性接頭，即在沉管管段端頭混凝土上預埋鋼端殼，其上安裝GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶，沉放后兩節(jié)管段間通過水力壓接，擠壓GINA止水帶(壓縮量達60 mm)，形成柔性接頭。管段間接頭止水完全依賴于GINA止水帶與鋼端殼的密貼和止水帶的正常壓縮;因而，鋼端殼施工的質量在混凝土沉管中至關重要。文獻［1－10］主要對沉管隧道綜合技術的設計和探討進行研究論述，未對具體關鍵施工工藝進行詳細闡述，而本文重點針對沉管隧道鋼端殼的安裝關鍵工序進行闡述探討。

1 鋼端殼加工制作

根據GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶性能及止水需要，設計人員通過計算給出:鋼端殼面板和內翼板安裝精度需達到每延米平整度≤1 mm，整體平整度≤3mm，加工精度必須高于安裝精度才能滿足需要。

1.1 鋼端殼分段

生—大沉管隧道(廣州生物島—大學城隧道以下簡稱生—大沉管隧道)鋼端殼，長23m，高8.7m，寬0.45m，為大型框架鋼結構。鋼端殼分段數量需考慮鋼端殼整體尺寸、加工誤差控制需要、工廠精加工允許規(guī)模、運輸便利、現(xiàn)場拼裝方便和精度利于控制等因素。由于鋼端殼現(xiàn)場拼裝時分段接頭處平整度較難控制，誤差最大，因而在條件允許的情況下，應盡可能地減少分段數量。生—大沉管隧道根據設計情況和現(xiàn)場施工條件，分為6段加工，具體分段如圖1所示。鋼端殼分段加工采用專業(yè)鋼構件加工廠精加工生產。

圖1 鋼端殼分段示意圖Fig.1 Segmentation of steel end shell

1.2 加工精度控制

加工時內翼板與其他板面共同組成鋼端殼的腔體，面板則可最后嵌入安裝焊接。內翼板加工精度應考慮后期腔體框架安裝焊接及面板安裝焊接造成的誤差，并采取措施抵消后期誤差。根據生—大沉管隧道鋼端殼安裝施工情況，安裝施工時內翼板極易變形，且變形后矯正難度特別大;因此，加工時應增強內翼板的剛度，其鋼板厚度要較其他鋼板稍厚，且在內翼板下加設加勁板增強剛度，加勁板間距一般為60～80 cm，最后再上刨床將內翼板上表面刨平，這樣能很好地減小后期安裝誤差。鋼端殼剖面細部示意圖如圖2所示。

圖2 鋼端殼剖面細部示意圖Fig.2 Profile of steel end shell

面板加工可在鋼端殼腔體框架安裝完成前1周在現(xiàn)場加工，避免因存放過久、長距離運輸產生變形。加工時應在平整度高的平臺上進行，以保證面板平整度和加工精度(特別是橫向平整度，誤差過大則無法整改)。

2 鋼端殼安裝

精度要求:整體平整度≤3 mm，每延米平整度＜1 mm;橫向垂直度(左右2點之差)＜3 mm;豎向傾斜度(上下2點之差)＜3 mm。

2.1 測量精度控制

根據管段預制施工的特點，因后期還需浮運沉放，對絕對精度要求不高;而對于每節(jié)管段本身的局域相對控制精度則要求非常高，這樣才能保證與其他管段精確對接。在管段預制前，每節(jié)管段建立相應的矩形控制網來測量和控制管段施工，管段中軸線與矩形網中線重合，管段橫軸與矩形網短邊平行。高程控制也需按相對精度控制，水準網控制點與矩形網控制點重合。

鋼端殼利用矩形網進行控制，建立鋼端殼三維控制基準線。在生—大沉管隧道中，利用投放平行鋼端殼面板的基準面來控制鋼端殼面板安裝施工，施工過程中利用矩形控制網投放平行于鋼端殼面板的斷面點，用0.5 mm鋼絲將投放的斷面點連接，形成檢驗定位的基準線。

2.2 鋼端殼框架安裝

2.2.1 基礎處理

在生—大沉管隧道中，鋼端殼碎石基礎設計與管段其他基礎相同，不能滿足鋼端殼安裝穩(wěn)定性和控制精度要求。施作時將其改為20 cm厚的素混凝土基礎，以此來保證基礎穩(wěn)定和便于操作控制。根據施作效果來看，對框架姿態(tài)控制不太理想，建議在施作混凝土基礎時預埋鋼板，使預埋鋼板姿態(tài)傾角與鋼端殼一致，并可在預埋鋼板上焊接定位塊，對框架底部姿態(tài)精確控制。

2.2.2 胎架安裝

鋼端殼框架安裝需在空間控制定位，必須制作安裝支撐定位的胎架來控制其三維空間姿態(tài)。胎架應選擇剛度較好的型鋼焊接組成，以確保牢固穩(wěn)定，滿足支撐定位要求且能承受澆筑混凝土產生的側壓力，保證鋼端殼框架姿態(tài)無變形。

2.2.3 框架安裝

鋼端殼框架是由內外翼板及翼板連接鋼板焊接組成的鋼結構半腔體，用于鋼端殼面板的嵌入焊接?？蚣馨惭b前應將三維控制基準線投放到胎架上，對框架安裝進行控制。根據基準線在胎架上焊接限位塊，便于鋼端殼框架定位操作。安裝順序一般從底部的中間兩塊開始，各段存在插接，需順時針或逆時針依次安裝(例如:按照逆時針1分段—2分段—3分段—4分段—5分段—6分段依次安裝，見圖1)。在拼裝過程中，注意控制各分段接頭處的平整度和精度，在接頭處由于空間自由度變化方向多且限制量少，需多次復核校正。先點焊，再段焊，最后分層滿焊，并根據實時監(jiān)控量測進行調整，最終保證安裝精度。

2.3 鋼端殼面板安裝

鋼端殼框架安裝完畢后，經測量復核，安裝精度滿足設計要求，并確認胎架與支撐加固體系牢固穩(wěn)定后，方可開始安裝鋼端殼面板。此時的面板安裝為初次安裝，應在混凝土澆筑前完成，精度要求不高，目的是為了減小鋼端殼框架腔體變形，增加剛度。將面板點焊嵌入，待混凝土澆筑完成，變形量穩(wěn)定后，暫時將面板拆除，對鋼端殼內翼板全面測量復核，并對變形超標的進行處理，然后再對鋼端殼面板進行二次定位安裝。

2.3.1 測量定位

測量定位是保證面板與設計位置楔合并滿足平整度要求的關鍵，應多次測量、及時復核，具體采取以下保證措施:沿鋼端殼內外翼板在角點及拐點處布設焊接φ20 mm圓鋼，利用原矩形控制網，將平行于鋼端殼面板平面的斷面投放在該鋼筋上面，用不同方法再對投點進行復核檢驗，確認無誤并滿足精度后，將點刻劃至圓鋼上面;用0.5mm鋼絲將投放在鋼筋上的斷面點連接，形成面板檢驗定位的基準線，在使用基準線測量時應再次復核。

2.3.2 面板定位

1)焊接定位塊。定位塊采用M14螺栓六角螺母，利用測量基準線量出點位(量取數據等于基準線至設計面板距離加上面板厚度16 mm)，用1角對準點位，然后將其焊接牢固，定位塊按照40～50 cm的間距沿上下翼板均勻分布。

2)面板吊裝定位。面板鋼板平整度檢驗合格后，開始進行面板吊裝定位，用吊車配合人工將面板逐塊放入鋼端殼腔體內，使其緊靠定位塊，并將其點焊到上下翼板上面，達到初步定位。初步定位后根據鋼絲基準面，對面板初步定位精度進行檢查，檢查無誤后將面板沿基準線每隔20 cm點焊。點焊后由測量組對面板位置進行復測，對不滿足要求的及時進行調整，面板到位后再進行一次精確測量復核，檢測合格后再正式對面板進行焊接。焊接過程中由測量人員適時抽檢面板精度，面板精度應控制在每延米≤1 mm，整體平整度≤3 mm。

2.3.3 面板焊接

面板焊接是鋼端殼安裝最重要的環(huán)節(jié)，焊接時變形量及焊縫質量的控制決定著鋼端殼工藝的成敗。在生—大沉管隧道中，成功總結出了如下保證措施:

1)為了避免焊接熱量造成校調后的翼板再變形，應分段跳焊，每焊接20～30 cm，跳過1 m，待溫度降落后再接焊，依次循環(huán)焊接，跳焊時注意焊縫應搭接好，接頭處焊縫應進行重疊焊接。

2)焊接面板時采用增加加勁板的方式控制焊接引起的翼板變形疊加，在面板接頭處加設30 mm厚加勁板，讓兩接頭搭接在其上以減小接縫焊接變形。

3)焊接時應盡可能保證面板與上下翼板密貼，不能調整密貼的應在背后加鋼板塞焊，杜絕因面板與翼板存在空隙，焊接時將翼板拉引變形。

4)焊接時加強通風降溫措施，以保證焊接處的內應力得到及時釋放。

5)焊接時控制好電流，確保電流穩(wěn)定。施焊時應分層進行，避免一次焊接過厚引起變形，每層焊縫施焊前須將前一層的焊渣清理干凈，避免夾渣。

6)采用二氧化碳氣體保護焊縫時，應做好空氣防護措施，防止出現(xiàn)氣泡。在焊縫接頭處應將焊渣藥皮清除干凈，防止夾渣。

7)面板焊接完成后由具有資質的檢測單位對焊縫進行超聲波無損探傷，對焊縫質量做出評定，以及時返工處理不滿足要求的焊縫。

2.3.4 鋼端殼注漿

鋼端殼空腔注漿工作需在面板姿態(tài)和平整度復測并符合設計要求，焊縫檢測合格、驗收通過后才可進行。采用已報審的M35砂漿通過預留注漿孔對空腔進行注漿填充。填充壓力控制在0.25 MPa左右，防止因壓力過大使面板擠壓凸起。空腔內砂漿必須填充密實，注漿完畢待砂漿終凝后，通過敲擊檢查注漿密實情況，如不密實，及時將空腔內殘留泌水用吸管引出，進行二次補注漿，直至注滿為止。注漿完成后，及時將注漿孔及排氣孔用鋼筋封焊，并將焊疤打磨平整，應保證封焊質量以確保密水。

2.4 效果檢查

鋼端殼焊接安裝后，為確保數據接近真實值，確保任意點平整度滿足精度，測點間距≤250 mm，對鋼端殼245個測點測量檢查，數據顯示面板平整度≤3mm，每延米平整度＜1 mm，翼板每延米平整度＜1 mm。在管段拉合后鋼端殼對接良好，無滲漏，止水帶壓縮密貼良好。安裝后誤差統(tǒng)計如表1所示。

表1 安裝后誤差統(tǒng)計表Table 1 Installation errors mm

3 結論與討論

鋼端殼安裝精度控制需要充分了解鋼板柔性與剛性的特性，并根據其特性加以有機組合，姿態(tài)調整根據其柔性特性選擇方法，姿態(tài)定型控制根據其剛性特性選擇方法。另外，必須保證足夠的測量監(jiān)控頻次，有足夠多的監(jiān)測控制點，才能采集到最接近鋼端殼面板與翼板真實姿態(tài)的數據，保證鋼端殼翼板與面板平面上的任意一點都能夠滿足設計精度。

［1］ 劉建飛.生物島—大學城沉管隧道最終接頭設計［J］.隧道建設，2007，27(3):49 －52.(LIU Jianfei.Design of final joint of Shengwudao-Daxuecheng immersed tunnel［J］.Tunnel Construction，2007，27(3):49 －52.(in Chinese))

［2］ 程曉明，吳鴻軍.沉管隧道混凝土施工關鍵技術探討——混凝土配合比設計［J］.現(xiàn)代隧道技術，2008(2):31－35.(CHENG Xiaoming，WU Hongjun.Key technique in the construction of immersed tube tunnels——Proportion of concrete［J］.Modern Tunnelling Technology，2008(2):31 －35.(in Chinese))

［3］ 梁艷.淺談沉管隧道端鋼殼設計［J］.安徽建筑，2008(4):134 －135.(LIAMG Yan.On the design of steel shell at immersed tunnel［J］.Anhui Architecture，2008(4):134 －135.(in Chinese))

［4］ 陳海軍.沉管隧道主體結構設計關鍵技術分析研究［J］.隧道建設，2007，27(1):51 － 55，74.(CHEN Haijun.A-nalysis and study on key technologies in design of main body of immersed tunnels［J］.Tunnel Construction，2007，27(1):51 －55，74.(in Chinese))

［5］ 寧茂權.海底沉管隧道的防水設計［J］.鐵道建筑，2008(10):61－64.

［6］ 鐘輝虹，李樹光，劉學山，等.沉管隧道研究綜述［J］.市政技術，2007(6):61 － 65.(ZHONG Huihong，LI Shuguang，LIU Xueshan，et al.Comprehensive summary of research on sunk pipe tunnel［J］.Municipal Engineering Technology，2007(6):61－65.(in Chinese))

［7］ 李明祥.我國隧道及地下工程的新進展［J］.探礦工程，1998(2):41 －44..(LI Mingxiang.Advances in tunnelling and underground engineering in China［J］.Exploration Engineering，1998(2):41 －44.(in Chinese))

［8］ 王建宇.對我國隧道工程技術進步問題的一點討論［J］.世界隧道，1999(1):1－9.

［9］ 唐英，管敏鑫，萬曉燕.鐵路沉管隧道箱形鋼筋混凝土沉管結構配筋［J］.世界隧道，1999(2):17－22.(TANG Ying，GUAN Minxin，WAN Xiaoyan.Reinforcement for box reinforced concrete tube of immersed railway tunnel［J］.Tunnelling and Underground Works，1999(2):17 － 22.(in Chinese))

［10］ 管敏鑫，萬曉燕，唐英.沉管隧道的作用、作用組合與工況［J］.世界隧道，1999(1):8 －13.(GUAN Minxin，WAN Xiaoyan，TANG Ying.Loads，load combination and construction conditions of immersed tunnel［J］.Tunnelling and Underground Works，1999(1):8 －13.(in Chinese))