港珠澳大橋沉管隧道最終接頭合龍施工技術

吳鳳亮，李家林，李金峰，劉兆權

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 概述

港珠澳大橋沉管隧道最終接頭是整個工程貫通最關鍵環(huán)節(jié)，意義特別重大。最終接頭長37.95 m、高11.4 m、頂層寬12 m、底層寬9.6 m，截面呈倒梯形結構，重量為6 000 t。

最終接頭為沉管隧道最后安裝部分，由大型浮吊吊裝沉放就位后，通過最終接頭內設的液壓油缸頂推系統(tǒng)，將兩側滑移小梁頂出壓縮GINA止水帶與 E29（30）管節(jié)鋼帽頂緊，實現(xiàn)與外界海水隔離，抽排結合腔海水，形成結合腔管內干作業(yè)環(huán)境，再施焊鋼接頭連接鋼板將最終接頭與E29（30）管節(jié)鋼帽連為整體，最終實現(xiàn)整個沉管的貫通[1-2]。

1 施工重點和難點

1.1 環(huán)境惡劣

施工區(qū)域在臨時GINA止水狀態(tài)下，國內外沒有任何可借鑒的施工經(jīng)驗?，F(xiàn)場對接的施工區(qū)域位于最終接頭兩側的結合腔，內部環(huán)境潮濕，無通風條件，施工人員進行施工作業(yè)時，安全、工效和心理上都受到很大影響。

1.2 作業(yè)空間受限

結合腔內只有37 m伊8.4 m伊2.8 m的矩形封閉空間，作業(yè)空間非常狹小。圖1圓圈處為鋼接頭安裝、焊接的位置，開檔僅為1 m，操作非常不便。

圖1 鋼接頭施工位置Fig.1 Steel joint construction location

1.3 施工組織難度大

最終接頭兩側結合腔內面臨通風條件差、濕度高、封閉箱體內作業(yè)、高處作業(yè)、立體交叉作業(yè)、長時間輪班作業(yè)等不利情況，對作業(yè)組織安排及保障要求非常高，必須合理規(guī)劃、有效布置和有力執(zhí)行。

1.4 工程量大、強度高、質量要求嚴

用于最終接頭合龍的鋼接頭焊接工作量非常大，焊縫總長度超過2 000 m，且全部為熔透焊，100%通過UT/MT探傷檢測，合龍對接焊縫統(tǒng)計見表1。

表1 合龍焊縫統(tǒng)計Table l Closure welds statistics

1.5 物資設備轉運困難

結合腔內構件運輸工作量巨大，受現(xiàn)場條件限制，沒有合適的起重、運輸設備，且通道通行極為不便，無輔助設備，只能依靠人力搬運，通過端封門上人孔內外轉運，勞動強度極大且安全風險極高。

1.6 超短周期施工

鋼接頭焊接施工完成前，結合腔內僅依靠油缸頂推GINA止水帶隔絕海水，風險極高。因此盡早完成結合腔內鋼接頭焊接工作是沉管工程能夠安全貫通的有效保障，必須在最短周期內完成。

2 鋼接頭安裝施工

2.1 施工平臺搭制

因涉及高空作業(yè)，在安裝和焊接工作前需搭制施工平臺。最終接頭結合腔為傾斜向上形式，因此搭制施工平臺是難點?？紤]現(xiàn)場施工周期超短，在最終接頭整體沉放前將施工平臺焊接固定在最終接頭鋼封門上，且為可伸縮形式，其外形尺寸不超過最終接頭本體外形尺寸。在最終接頭沉放到位后，在滿足使用條件下，依次將收縮平臺展開伸出，并作好護欄防護，平臺示意圖見圖2。

圖2 施工平臺示意圖Fig.2 Diagram of the construction platform

平臺最上部為可伸縮式，欄桿扶手為可翻轉式，保證開始施工時能在最短時間內將施工平臺布置到位，從結合腔底部通過直梯登上施工平臺。

2.2 施工區(qū)域清理

施工平臺搭建完成后，對最終接頭以及E29、E30鋼帽需要焊接的施工位置進行清理，利用電動打磨工具去除表面的油漆、雜質、海生物等，露出金屬表面。

2.3 GINA保護

焊接預熱區(qū)域可能會造成GINA止水帶損傷，焊接過程中必須控制預熱溫度和時間，并采用三防布（石棉）或其它保護措施對止水帶進行必要的遮蓋。

止水帶保護示意圖見圖3。

圖3 GINA止水帶保護示意圖Fig.3 GINA water stop protection diagram

2.4 加熱除濕

采用感應加熱方式，對焊接位置進行加熱、除濕，同時在結合腔內布設抽濕機除濕，盡可能降低結合腔內的濕度。

2.5 布置通風照明

將E30管節(jié)內預留的通風管路接入到結合腔內，運行通風設備，開始結合腔內通風。每個結合腔的8個角落布置LED投光燈，同時配置4個可移動LED投光燈，配合施工位置隨時移動。

2.6 布置電路和氣路

利用E30管節(jié)預留電纜管和氣管，用軟管迅速連接施工所需的電焊機、空壓機等設備，將電纜和管路拖到預定施工位置。

2.7 小梁與鋼帽固定

頂推小梁鋼管撐拆除之前，為避免小梁受外力移動導致結合腔內止水失效，先將頂推小梁與鋼帽進行固定，通過增加碼板確保小梁穩(wěn)定無法移動。

為防止焊接過程中焊接應力對最終接頭兩側與鋼帽間距的影響，最終間距精確測量前，先利用卡碼進行焊接固定，碼板固定于最終接頭與鋼帽強隔板處，焊接時采用三防布對止水帶進行遮蓋，碼板需對稱均勻分布設置。

2.8 干涉件拆除

小梁固定后，連接板安裝施工與臨時固定上下頂推小梁撐桿干涉，需將工裝支架內頂推小梁撐桿、調位千斤頂裝置、防撞結構拆除。拆除過程中對部件合理分段以保證人力可搬運。拆前對底部及撐桿處止水帶遮蓋，保護止水帶不被損壞。

2.9 對接間距精確測量

碼板固定完成后，分別對四周不同位置進行劃區(qū)編號做好標記，對連接板連接處直線距離測量，將測量數(shù)據(jù)與劃區(qū)記錄對應。

2.1 0 連接鋼板余量修割

最終接頭頂部、側墻連接板采用懸掛設置方式，余量修割可按以下方案進行：

1）采用懸掛方式連接板與最終接頭側，在制造時提前加工好坡口，再根據(jù)對接間距精確測量值，采用自動、半自動氣割機吸附在懸掛板上配切下料。

2）對接底部未懸掛設置的連接板在E29和E30管節(jié)施工區(qū)域將余量配切到位。

2.1 1 鋼接頭定位焊接順序

鋼接頭定位焊接順序為：外側連接板安裝焊接寅隔板組件預先拼裝寅隔板組件安裝焊接寅內側連接板安裝焊接。鋼接頭示意圖見圖4。

圖4 鋼接頭示意圖Fig.4 Sketch diagram of steel joints

2.1 2 焊接施工

按焊接工藝要求進行施工，在不同位置，分別運用手工焊、CO2氣體保護焊、半自動焊接等形式，以實現(xiàn)最大焊接效率為目標，同時保證焊接工位不互相影響，嚴格保證焊接施工質量。

2.1 3 檢驗檢測

檢驗檢測工作必須在焊接施工中穿插進行，嚴格按照焊接的檢驗檢測標準[3-5]，做好焊接過程的監(jiān)控及質量控制。

2.1 4 輔助工裝平臺拆除

連接材料安裝完畢經(jīng)檢驗合格后，將所有輔助工裝平臺拆除。拆除時注意先后順序，邊拆除邊進行構件修補，拆除后所有材料從端封門上門孔轉到隧道外。

3 焊接工藝

3.1 焊接控制

核查裝配坡口間隙等是否滿足規(guī)定要求，焊縫區(qū)域采用感應加熱，鋼板預熱溫度達到焊接工藝WPS要求。

施焊時嚴格執(zhí)行焊接工藝，嚴禁在母材非焊接部位引弧，焊后將焊縫表面熔渣及兩側飛濺清理干凈，做好焊接記錄。記錄內容包括焊縫編號、焊接參數(shù)、質量狀況、施焊日期、環(huán)境溫度、焊工代號等。

3.2 焊接順序

焊接時采用多人同時、對稱施焊，先外側連接板，后隔板，最后內側連接板。焊接順序見圖5。

圖5 焊接順序Fig.5 Welding order

3.3 焊接要求

1）焊工必須通過考試并取得相應資格證書，且只能從事資格證書認定范圍內工作。

2）焊接工藝規(guī)程必須根據(jù)相關規(guī)范及焊接工藝評定報告編制，焊接工藝應報監(jiān)理批準，施焊時嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。

3）焊接設備施焊前處于完好狀態(tài)，設備儀表定期檢定。

4）焊接材料選用通過焊接工藝評定確定，焊材儲存?zhèn)}庫滿足相關要求，做好標識；焊劑、焊條必須按產(chǎn)品說明書要求烘干使用。

5）焊前必須徹底清除待焊區(qū)域內底漆及油、銹等污物，焊接時嚴禁在母材非焊接部位引弧，焊接后清理焊縫表面熔渣及兩側飛濺。

6）焊前預熱溫度嚴格執(zhí)行焊接工藝評定要求，預熱范圍為焊縫每側不小于100 mm，測溫點距焊縫30耀50 mm。

4 施工難點及措施

4.1 焊接施工難點

1） 鋼結構主材質為 Q420C，部分材質Q690E、Q420C、Q690E作為低合金高強鋼，焊接需避免焊接裂紋產(chǎn)生。

2）現(xiàn)場工作環(huán)境屬水下高濕度空間焊接，環(huán)境濕度超出80%的濕度規(guī)范要求，對焊接質量存在巨大隱患。

3）高濕度環(huán)境下焊接材料需避免受潮、溫度控制為重點環(huán)節(jié)，保證焊接質量。

4.2 應對措施

高強鋼焊接過程控制非常重要，若措施不當，焊縫綜合力學性能很難保證，且容易產(chǎn)生焊接裂紋；高濕度情況下焊接，會使空氣中水蒸氣產(chǎn)生熱分解，導致焊縫氫含量增加，若焊縫含氫量超過允許值，很容易產(chǎn)生裂紋，導致結構破壞；高濕下焊接，焊縫急冷效果明顯，容易產(chǎn)生高硬度淬硬組織，降低焊縫力學性能。為保證焊接性能，需控制以下幾方面：

1）控制焊接熱輸入，熱輸入過大，熱影響區(qū)寬，晶粒粗大，會降低焊縫力學性能，在焊接過程中嚴格按照WPS要求選擇合適參數(shù)焊接。

2）開工前查看溫濕度計，確認環(huán)境溫度和濕度，如濕度太高，將作業(yè)區(qū)域水汽烘干，烘烤范圍為焊縫兩側各100耀150 mm，應保證整條焊縫烘烤，焊縫區(qū)域升溫，使局部施工環(huán)境滿足焊接要求，即焊接環(huán)境溫度不低于5益，濕度不超過80%。

3）采用CO2氣體保護焊，預熱溫度不低于80益，預熱溫度和層間溫度在每一焊道即將引弧施焊前加以核對，層間溫度不超過200益。若焊接過程中道間溫度超出了最低預熱溫度或最高溫度限制，則采取相應的預熱或冷卻措施，保證焊接的每一道層溫在要求的范圍內才能進行下一道焊接。

4）隨焊接進行，每焊完一段焊縫即采用石棉墊覆蓋保溫，焊接后道焊縫時再測溫，溫度滿足預熱要求時即可焊接。

5）焊接完成后，為控制冷卻速度、隔離水汽，在焊縫焊接完成后加蓋至少50 mm厚保溫棉使焊縫及其焊縫兩側緩慢冷卻。

6）高濕環(huán)境焊接控制貫穿整個焊接過程，必須控制每一細節(jié)，保證焊接質量。因濕度過大，為了防止觸電，焊接過程中要穿戴絕緣、安全防護用品，所有設備、工具要有良好的絕緣和防水性能。

5 結語

2017年5月2日港珠澳大橋沉管隧道最終接頭順利安裝成功，200余名水下焊接施工、管理人員歷經(jīng)3個月的培訓演練正式進入深海施工，歷時15 d，消耗焊材20余t、氣體2 000余瓶，以焊接一次合格率高達97.8%的水平完成合龍焊接任務，為港珠澳大橋順利貫通做出重大貢獻，創(chuàng)造了諸多世界紀錄。