港珠澳大橋西人工島現(xiàn)澆隧道端鋼殼安裝技術(shù)

劉昊檳，楊潤(rùn)來，朱寶華

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

港珠澳大橋西人工島現(xiàn)澆隧道端鋼殼安裝技術(shù)

劉昊檳，楊潤(rùn)來*，朱寶華

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

港珠澳大橋西人工島設(shè)置暗埋段隧道，其首節(jié)管節(jié)與海上段沉管隧道對(duì)接形成隧道與人工島的連接。隧道暗埋段首節(jié)管節(jié)端頭設(shè)置有全斷面大型端鋼殼，做為與沉管隧道對(duì)接時(shí)GINA止水帶的受壓面。由于對(duì)接端面止水要求十分嚴(yán)格，為此，對(duì)端鋼殼的安裝精度、平整度及焊接質(zhì)量都提出了極為嚴(yán)格的要求。以港珠澳大橋西人工島暗埋段端鋼殼安裝為技術(shù)背景，詳細(xì)介紹了大型端鋼殼的定位、安裝工藝。

港珠澳大橋；暗埋段；隧道；端鋼殼；定位；安裝工藝

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程是我國(guó)首條于外海建設(shè)的沉管隧道，也是目前世界上綜合性難度最大的沉管隧道之一[1-2]，為實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換，隧道兩端各設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)約625m的海中人工島[3]。其中西人工島島上段隧道暗埋段CW 1做為與海上段沉管隧道對(duì)接的首節(jié)管節(jié)，其對(duì)接端面設(shè)置有端鋼殼。海上段沉管隧道與暗埋段CW1對(duì)接時(shí)，該端鋼殼做為E1管節(jié)對(duì)接面端鋼殼上GINA止水帶的承壓面，其平整度及受力性能直接關(guān)系到對(duì)接面的止水密閉效果及耐久性。圖1為暗埋段CW1與沉管隧道E1管節(jié)對(duì)接縱斷面圖。

圖1 暗埋段CW 1與E1管節(jié)對(duì)接示意圖Fig.1 Theburied section CW 1dockingw ith thepipe jointE1

暗埋段CW 1端鋼殼由H型鋼及面板兩部分組成，其中H型鋼做為端鋼殼的骨架，承受沉管對(duì)接時(shí)水力壓接的巨大荷載，面板做為GINA止水帶的壓接面。為確保水密性能，對(duì)面板拼裝的平整度及焊接性能提出了嚴(yán)苛的要求。圖2為端鋼殼斷面及立面布置圖。

圖2 端鋼殼斷面及立面布置圖Fig.2 Section and elevation layout of end steel shell

2 施工工藝

由于暗埋段CW1結(jié)構(gòu)尺寸龐大，且受限于隧道結(jié)構(gòu)分兩次澆筑施工工藝，端鋼殼整體一次安裝成型困難。此外，為確保對(duì)接端面平整度，需在端鋼殼H型鋼整體拼裝完成后，再進(jìn)行面板的焊接，以此盡可能降低焊接過程中造成的面板變形。為確保端鋼殼的安裝精度，現(xiàn)場(chǎng)采取在端鋼殼外側(cè)設(shè)置臨時(shí)大型鋼桁架做為其定位支撐及抵抗混凝土側(cè)壓力的輔助構(gòu)件。圖3為端鋼殼安裝定位架立面示意圖。

圖3 端鋼殼安裝定位鋼支架立面示意圖Fig.3 Elevationm ap of end steelshell installation positioning steelbracket

2.1 鋼支架設(shè)計(jì)及安裝

2.1.1 鋼支架設(shè)計(jì)

為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，在陸地預(yù)制單元鋼支架，通過海運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體拼裝。鋼支架整體由15片三角形單元桁架片拼接而成，其中單元桁架立柱、斜支撐及中間拉桿均采用H型鋼制作，相鄰單元桁架之間采用槽鋼剪刀撐連接，整個(gè)桁架由上部橫梁連接成型。為確保隧道結(jié)構(gòu)第二步混凝土澆筑期間，端鋼殼在混凝土側(cè)壓力作用下不發(fā)生位移，在鋼支架兩側(cè)（即隧道側(cè)墻處）的兩組單元鋼支架上設(shè)置3組水平加強(qiáng)桿并反向設(shè)置斜拉桿。斜拉桿與CW1已澆筑底板及側(cè)墻外側(cè)混凝土底板預(yù)埋件焊接固定。圖4為鋼支架總體拼裝正視圖。

為確保支架受力安全，采用有限元軟件建立三維模型并進(jìn)行各工況條件下受力分析。計(jì)算內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)受力計(jì)算、中間三角桁架受力分析、端部三角桁架受力分析、承受混凝土側(cè)壓力計(jì)算等。

2.1.2 鋼支架安裝

因鋼支架體型龐大，單元桁架斜桿需抵抗混凝土澆筑時(shí)側(cè)壓力及端鋼殼傾覆力的影響，在鋼支架安裝前，對(duì)立柱及斜桿支撐面進(jìn)行地基處理，主要通過制作擴(kuò)大基礎(chǔ)墩臺(tái)并在基礎(chǔ)上埋設(shè)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，以方便鋼支架的固定。預(yù)埋件安裝時(shí)略低于實(shí)際安裝位置，以便于微調(diào)鋼支架傾斜度及平面位置。另外，在端鋼殼下的混凝土墊層內(nèi)提前預(yù)埋型鋼，該型鋼略低于混凝土墊層，通過該方式，可在后期通過楔子精調(diào)端鋼殼的安裝位置。圖5為鋼支架預(yù)埋件及端鋼殼底部精調(diào)型鋼布置示意圖。

圖4 鋼支架總體拼裝正視圖（單位mm）Fig.4 Overallassembled elevation of steelbracket（mm）

圖5 鋼支架預(yù)埋件及端鋼殼底部精調(diào)型鋼布置示意圖Fig.5 Layout of thesteelbracket em bedded partsand the finead justmentsteelat thebottom of theend steel shell

2.2 端鋼殼安裝

端鋼殼分工字鋼和面板兩次安裝，因構(gòu)件尺寸龐大，實(shí)際組拼時(shí)采取分段對(duì)稱安裝方式，以便消除焊接變形。具體順序如下：由下側(cè)墻下端兩側(cè)向底板中間靠攏，即1→2→3→4←3←2←1；然后再由側(cè)墻上端向頂板中間靠攏，即5→6→7→8←7←6←5。

圖6為端鋼殼工字鋼拼裝順序圖。

2.2.1 測(cè)量控制

初步定位靠測(cè)放的理論控制線與節(jié)段對(duì)應(yīng)線進(jìn)行對(duì)中控制，然后用靠尺校核節(jié)段平整度，最后用高精度全站儀校核節(jié)段控制點(diǎn)位置和傾斜度，校核合格后用馬板臨時(shí)點(diǎn)焊固定節(jié)段。為了避免大氣溫度影響測(cè)量精度，每天早晚期間進(jìn)行測(cè)量放樣、測(cè)量校核。在端鋼殼工字鋼安裝完成后，在端鋼殼上做監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便在混凝土澆筑過程中監(jiān)測(cè)及校正。

圖6 端鋼殼工字鋼拼裝順序圖Fig.6 Assembled sequence diagram of end steel shell I-beams

2.2.2 拼裝控制

在端鋼殼底部預(yù)埋型鋼和頂部托梁上焊接調(diào)平墊板和兩側(cè)限位卡板，在鋼支架立柱上端焊接粗定位墊板；測(cè)量校核后將端鋼殼工字鋼節(jié)段用塔吊吊裝至調(diào)平墊板上，工字鋼上、下翼緣板與鋼支架立柱上的粗定位墊板緊貼，采用千斤頂調(diào)整拼縫間隙，用楔子精調(diào)工字鋼縱向位置；最后校核合格后將工字鋼下翼板與墊板點(diǎn)焊，上翼板通過拉板與鋼支架立柱焊接固定。拼裝定位中采取措施減小對(duì)保護(hù)防腐涂裝的破壞，在澆筑混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后拆除拉板。

2.2.3 焊接控制

焊接前進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，制定合理的焊接工藝規(guī)程。在現(xiàn)場(chǎng)燒焊時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝評(píng)定，保證焊接質(zhì)量，減少焊接變形。采用對(duì)稱焊接、焊后校火、機(jī)械矯正等措施保證安裝精度。焊接完成后進(jìn)行探傷檢測(cè)和外形尺寸精度檢測(cè)。

腹板、翼板在制作廠家開設(shè)好坡口，均采用鋼襯墊焊。腹板對(duì)接處下端開15 mm×70 mm的方形工藝孔，待下翼板對(duì)接燒焊結(jié)束后反面加鋼襯墊小電流多層焊。

2.2.4 端鋼殼工字鋼與鋼筋骨架焊接

端鋼殼工字鋼作為隧道結(jié)構(gòu)端頭模板的一部分，在混凝土澆筑過程中對(duì)端鋼殼工字鋼產(chǎn)生側(cè)壓力。因此在工字鋼位置調(diào)整好后將其與鋼筋骨架焊接牢固，從而增加端鋼殼自身穩(wěn)定性。

2.2.5 鋼支架斜拉體系安裝

為了減小隧道結(jié)構(gòu)第二步混凝土澆筑時(shí)混凝土側(cè)壓力對(duì)鋼支架基礎(chǔ)的壓力，減小基礎(chǔ)沉降，控制端鋼殼在混凝土澆筑過程的變形，在上半部分端鋼殼節(jié)段拼裝調(diào)整合格后，在端部?jī)善氰旒苌习惭b3組斜拉體系。

2.3 端鋼殼面板的安裝

為了保證沉管對(duì)接時(shí)GINA止水帶均勻壓縮及水密性，對(duì)端鋼殼面板的成型精度要求極高，須在測(cè)量、安裝、焊接過程中嚴(yán)格控制。在混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后解除端鋼殼上H型鋼上的固定馬板，用測(cè)量?jī)x定出面板的安裝線，將安裝線用樣沖孔打在端鋼殼的下翼板上。在端鋼殼H型鋼上、下翼緣板上間隔4 m點(diǎn)焊一處定位板，定位板既可以用于面板定位，也可減小面板燒焊時(shí)變形。

2.3.1 面板安裝順序

為減少面板拼裝變形，面板焊接時(shí)按照由側(cè)墻下端兩側(cè)向底板中間靠攏順序施工，即M7→M1→M2→M1→M3←M1←M2←M1←M7；然后再由側(cè)墻上端向頂板靠攏，即M4→M6→M5→M1→M2→M1、M1←M2←M1←M5←M6←M4，如圖7。

圖7 端鋼殼面板拼裝順序圖Fig.7 Assem bly sequence diagram of theside panelof end steelshell

2.3.2 吊裝拼裝

將已焊好螺栓（用于微調(diào)）并開好焊接坡口的面板用塔吊吊裝定位，頂緊在端鋼殼H型鋼內(nèi)焊接的定位板上，并檢驗(yàn)面板與安裝線的對(duì)應(yīng)狀況，每延米間用鋼靠尺檢查平整度。逐段檢查合格并定位焊接，焊接間距為200～300mm。

2.3.3 拼縫焊接

在焊接拼裝前，首先進(jìn)行焊接工藝評(píng)定確定合理的焊接工藝規(guī)程，作為現(xiàn)場(chǎng)施焊的施工規(guī)程。

焊接前用高壓氣槍將拼縫清潔干凈，保證焊縫無夾渣。為減少焊接變形，采取先焊面板與隔板接觸端頭的塞焊，然后焊接節(jié)段面板與翼板間拼縫，從中間逐漸向兩端燒焊。焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，小電流多層焊，減小焊接變形。焊接前采用工裝固定對(duì)接坡口，以增加結(jié)構(gòu)焊接時(shí)的剛性。

第一塊面板焊完后，測(cè)量其變形情況，確認(rèn)焊接符合要求后再裝焊其余鋼面板。邊裝焊邊測(cè)量，保證精度要求。焊接完成后，進(jìn)行校火、機(jī)械矯正，打磨后進(jìn)行探傷檢測(cè)和尺寸檢驗(yàn)。

3 結(jié)語

西人工島島上段隧道暗埋段CW1段做為海上段沉管隧道對(duì)接施工的起始端，其端面設(shè)置的全斷面端鋼殼安裝質(zhì)量直接關(guān)系到沉管對(duì)接后止水效果及耐久性。為此，采用大型鋼桁架進(jìn)行高精度定位，并采取分段組拼的方式實(shí)現(xiàn)了端鋼殼的精確安裝。經(jīng)檢驗(yàn)全斷面表面平整度小于5 mm，GINA止水帶接觸面平整度小于1 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。目前，沉管隧道與西人工島隧道暗埋段已順利完成對(duì)接，各項(xiàng)止水性能表現(xiàn)良好。

[1]尹海卿.港珠澳大橋島隧工程設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2014，34（1）：60-66. YINHai-qing.Key technologies app lied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macau Bridge(HZMB)Project[J].Tunnel Construction,2014,34 (1):60-66.

[2]陳正杰.港珠澳大橋沉管隧道端封門鋼梁牛腿預(yù)埋件承載試驗(yàn)研究[J].地下工程與隧道，2014（3）：1-3. CHEN Zheng-jie.Research on load tests for steel bracketembedded parts of end-capping portal of immersed tube tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Under Ground Engineering and Tunnels,2014（3）：1-3.

[3]劉曉東.港珠澳大橋總體設(shè)計(jì)與技術(shù)挑戰(zhàn)[C]//第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2011. LIU Xiao-dong.Overall design of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge and technical challenges[C]//The 15th China ocean(shore) engineering academic symposium proceeding.Beijing:CCCC Highway Consultancy Co.,Ltd.,2011.

Installation technology of end steel shell in cast-in-situ tunnel of the Hongkong-Zhuhai-M acao Bridgewest artificial island

LIUHao-bing,YANGRun-lai*,ZHU Bao-hua
（No.1 Eng.Co.,Ltd.of CCCCFirstHarbor EngineeringCo.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge west artificial island set the buried section of tunnel,its firstsection union docked with themaritime segments immersed tube tunnel to form a connection between tunneland artificial island.The end of the first pipe joint of the tunnel buried section has a whole section of large end steel shell,as the GINA water-stop pressure surface when the end steelshell isdockingwith the immersed tunnel.Because thewater-stop surface is very strict check on water,the installation precision and flatness and welding quality of end steel shell are put forward very strict requirements.Taking the installation of the end steel shell in buried section ofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgewest island as technicalbackground,we introduced in detail the positioning and installation processof large-scale end steel shell.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;buried section;tunnel;end steel shell;positioning;installation process

U655.4；U455.46

B

2095-7874（2015）11-0077-04

10.7640/zggw js201511021

2015-10-12

劉昊檳（1983— ），男，黑龍江佳木斯市人，工程碩士，工程師，副主任工程師，建筑與土木工程專業(yè)。*通訊作者：楊潤(rùn)來，E-mail：672438366@qq.com