港珠澳大橋沉管管節(jié)鋼帽安裝工藝

唐永波，周建民，魏杰

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道工程沉管隧道共有33 個管節(jié)，自西（珠海）向東（香港）依次編號為E1～E33，管節(jié)沉放先后順序分為東西兩線進(jìn)行施工，西線由西人工島暗埋段至E29 管節(jié)，最長距離約為5.3 km，東線由東人工島暗埋段至E30 管節(jié)，距離約為0.75 km。

港珠澳大橋沉管隧道工程沉管E29、E30 兩管節(jié)沉放就位后，將最終接頭沉放于E29 與E30之間[1-3]，通過連接鋼板完成最終接頭與管節(jié)E29/E30 鋼帽之間的剛性連接，為確保鋼帽與連接板組裝施工，結(jié)合本工程設(shè)計要求及工程特點(diǎn)，編制了管節(jié)鋼帽安裝工藝方案。

1 概述

鋼帽是管節(jié)與最終接頭連接的關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)置在E29 管節(jié)S8 端和E30 管節(jié)S1 端，與管節(jié)混凝土連為一體，是管節(jié)結(jié)構(gòu)中重要的永久性構(gòu)件[4]。鋼帽截面設(shè)計最大尺寸為1 490 mm×800 mm 的不規(guī)則E 形截面，主要由上、中、下翼緣板、側(cè)向腹板、加勁板及連接焊釘組成。鋼帽整體呈環(huán)形，寬度38.34 m，高度11.79 m。鋼帽的安裝結(jié)構(gòu)形式，具體見圖1 所示。

2 施工難點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)裝配尺寸控制。由于鋼帽所處位置在曲線段管節(jié)端部，是鋼結(jié)構(gòu)件與鋼筋混凝土的有效結(jié)合體[5]，其安裝尺寸受到鋼筋籠實(shí)體尺寸制約，給整個鋼帽的裝配調(diào)整帶來了很大的難度。

2）焊接變形控制。鋼帽板厚多在t=28 mm 左右，且整體質(zhì)量較大，受預(yù)制車間起重能力限制，鋼帽需分為多個分段預(yù)制，再完成組對焊接，導(dǎo)致焊接量較大，焊接變形難以控制。

圖1 鋼帽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of steel hat structure

3）平整度及角度要求嚴(yán)格。因鋼帽承壓板需與最終接頭Gina 止水帶緊密貼合，若承壓板平整度存在偏差，將會嚴(yán)重影響止水效果；另最終接頭為“三明治”結(jié)構(gòu)形式，對鋼帽結(jié)構(gòu)的傾斜度控制要求較高，這兩點(diǎn)對鋼帽組裝提出了很高的要求。

4）交叉作業(yè)。為確保鋼帽的順利安裝與焊接，許多鋼筋無法提前安裝到位，必須穿插進(jìn)行。期間涉及到模板體系轉(zhuǎn)換，由于模板安裝要求很高，需充分考慮吊裝、焊接等工序，存在很多交叉作業(yè)，增加了施工難度。

5）焊接空間狹小。分段焊接過程中，由于結(jié)構(gòu)翼緣板之間的空間較小，而且部分焊縫需要在鋼筋籠之間焊接，致使分段調(diào)整與焊接工作較難開展。

3 鋼帽安裝方案

針對以上施工難點(diǎn)，對鋼帽安裝進(jìn)行了詳細(xì)分析，做好相關(guān)工藝準(zhǔn)備工作，下面主要對鋼帽安裝工藝進(jìn)行說明。

3.1 安裝前準(zhǔn)備工作

1）材料轉(zhuǎn)運(yùn)。鋼帽總重約80 t，根據(jù)起重設(shè)備和轉(zhuǎn)運(yùn)條件考慮，劃分為頂板單元、側(cè)墻單元、中墻單元和底板單元4 個部分，每個分段重量控制在4～8 t 之間。其中頂板單元包括分段4、10、9、5，側(cè)墻單元包括分段8、1，中墻單元包括分段11、12，底板單元包括分段6、3、2、7，共計12 個分段，最重分段約8 t。在整體組裝前，分別將分段4 和10、9 和5、2 和3 兩兩拼裝成組件，具體分段如圖2 所示。

2）構(gòu)件分段檢查。根據(jù)圖紙，對各分段進(jìn)行尺寸檢查，并在分段上劃出測量檢驗(yàn)線或檢驗(yàn)點(diǎn)，已方便后續(xù)調(diào)整時的平整度和傾斜度測量工作。

圖2 鋼帽分段示意圖Fig.2 Sketch map of sections of steel hat

3.2 鋼帽分段安裝

由于鋼帽分段的安裝過程與鋼筋籠、澆筑模板安裝緊密相關(guān)，因此，鋼帽分段的吊裝、定位、焊接等一系列環(huán)節(jié)，必須與相關(guān)模板體系的轉(zhuǎn)換相結(jié)合，具體步驟如下。

1）鋼筋籠頂推入模后（廠房澆筑區(qū)），廊道內(nèi)模安裝，提拉鋼筋籠頂板鋼筋，防止出現(xiàn)下?lián)犀F(xiàn)象，拆除左右行車道鋼筋籠頂板處模板胎架，行車道內(nèi)模針型梁支腿不下放，內(nèi)模暫不滑入。

2）將分段鋼帽轉(zhuǎn)運(yùn)至廠房休整區(qū)，需要提前進(jìn)行鋼筋的布設(shè)與安裝，防止后續(xù)鋼筋無法與鋼帽組裝。

3）在底模上拼裝鋼帽的底板單元分段，完成底板單元分段的焊接工作，見圖3。

圖3 鋼帽底板分段焊接及精度調(diào)整圖Fig.3 Sections welding and precision adjustment diagram of steel hat bottom plate

4）完成鋼帽底板處鋼筋籠的匹配安裝，注意精調(diào)至設(shè)計位置，并測量底板承壓板平整度和傾斜度。

5）中廊道模板閉合至設(shè)計位置，吊裝鋼帽中墻單元分段，并根據(jù)圖紙要求調(diào)整分段裝配，待裝配合格后，完成中墻單元分段與底板單元分段拼接處承壓板、左右行車道側(cè)翼板的焊接工作，中廊道內(nèi)側(cè)翼板暫不焊接。

6）側(cè)墻模板閉合至設(shè)計尺寸，吊裝鋼帽側(cè)墻單元分段，完成側(cè)墻單元分段與底板單元分段拼接處承壓板、靠行車道內(nèi)側(cè)翼板的焊接工作，外側(cè)翼板暫不焊接。

7）安裝左右側(cè)行車道內(nèi)模至設(shè)計位置，并檢查內(nèi)模是否與鋼帽緊密接觸。

8）吊裝頂板單元分段，精確調(diào)整后，先施焊完成頂板單元分段之間的焊縫；然后施焊完成與中墻單元之間的承壓板焊縫；最后，施焊完成頂板單元分段與側(cè)墻單元分段之間的焊縫。

9）施焊頂板單元分段與中墻單元分段行車道側(cè)的翼板焊縫，注意焊接其中一側(cè)翼板焊縫時，應(yīng)保持另一側(cè)車道的內(nèi)模不退出。焊接完成后，將左右側(cè)行車道內(nèi)模安裝至設(shè)計位置。

10）退出中廊道內(nèi)模，施焊完成鋼帽頂、底板單元分段與中墻單元分段的內(nèi)側(cè)翼板焊縫。

11）安裝中廊道內(nèi)模至設(shè)計位置，然后打開左右側(cè)側(cè)模，施焊完成側(cè)墻單元分段與底板單元分段的外側(cè)翼板焊縫。

12）精調(diào)鋼帽整體精度、傾斜度，合格后安裝側(cè)墻及頂板模板，并安裝端面臨時支撐加固（圖4），鋼筋籠卸載，待混凝土澆筑完成后，拆除端面臨時支撐。

圖4 鋼帽臨時支撐加固Fig.4 Reinforcement of temporary support of steel hat

3.3 裝配定位要點(diǎn)

在鋼帽分段裝配定位過程中，注意汽車吊暫不松鉤，配合定位，同時根據(jù)圖紙尺寸要求，利用千斤頂、手拉葫蘆進(jìn)行精調(diào)定位，保證分段整體傾斜度，以及對接縫之間的裝配間隙和平整度。在精調(diào)定位過程中，采用激光經(jīng)緯儀或全站儀配合同步測量調(diào)整。同時注意對接縫位置襯墊需安裝到位，待整體調(diào)整到位后采用定位卡板將分段之間固定牢固，并根據(jù)實(shí)際情況增加臨時支撐，來輔助結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，如圖5 所示。

圖5 鋼帽組裝定位圖Fig.5 Location drawing of assembly of steel hat

3.4 分段焊接質(zhì)量控制

鋼帽分段的焊接工作在模板體系轉(zhuǎn)換過程中完成，并通過對焊接過程的嚴(yán)密控制，有效控制多分段、大焊接量引起的變形。

3.4.1 工藝準(zhǔn)備

1）鋼帽拼裝前必須熟悉圖紙及技術(shù)要求，認(rèn)真核對零件平面度、直線度等各種偏差，確認(rèn)符合圖紙要求后方可組裝[4]。

2）組裝前必須徹底清除待焊區(qū)的浮銹、底漆、油污、雜物等。

3）焊縫端部按規(guī)定組裝引、熄板，其材質(zhì)、厚度及坡口與所焊件相同。

3.4.2 焊接準(zhǔn)備

1）焊接作業(yè)現(xiàn)場焊接環(huán)境濕度不大于80%，不得在低于0 ℃的母材上焊接。

2）焊接表面的油、銹必須清除干凈。

3）露天采用CO2氣體保護(hù)焊時，必須采取嚴(yán)格、可靠的防風(fēng)防雨措施，CO2氣體純度≥99.9%。及時清除噴嘴上的飛濺物，且干燥器始終處于良好的工作狀態(tài)。

4）施焊前，待焊接部位的母材和坡口表面光潔、整齊，無毛刺、損傷、裂紋或影響焊縫強(qiáng)度和質(zhì)量的其它缺陷。

5）施焊期間的清理：在前道焊層上焊下一焊層前，將焊縫表面所有熔渣、飛濺清理干凈，此要求不僅適用于前后焊層，也適用于前后焊道，以及中斷后繼續(xù)施焊的弧坑處。

6）完工焊縫的清理：完工焊縫清除熔渣，母材附近清除飛濺。

7）為了提高熱影響區(qū)和焊縫金屬的沖擊韌性，焊接過程中必須采用多層多道焊。

8）采用襯墊的坡口焊縫，應(yīng)使焊縫金屬與襯墊緊密貼合，襯墊應(yīng)沿焊縫全長連續(xù)設(shè)置，非箱體內(nèi)部襯墊須進(jìn)行清除，清除過程盡可能不傷及母材，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)焊。

9）手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊的立焊位置的施焊方向，要求自下而上。

3.4.3 焊接區(qū)域清理

1）焊接前，所有焊接坡口的切割面，待焊區(qū)域內(nèi)的車間底漆及其它有害物，以及在規(guī)定范圍內(nèi)的氧化皮、鐵銹、水分、油漆等妨礙焊接的物質(zhì)，將清除打磨干凈，要求露出金屬光澤，焊接清理區(qū)域?yàn)楹附訁^(qū)域兩邊各20 mm 范圍。

2）焊接區(qū)域清理要求在構(gòu)件組裝前進(jìn)行，構(gòu)件組裝后注意保護(hù)，對于主要部件在組裝后24 h內(nèi)焊接。若重新銹蝕或又附有水分、鐵銹等有礙焊接的雜質(zhì)，將重新清理。

3.4.4 焊接變形控制措施

1）分段在焊接前，為了減少焊接變形及殘余應(yīng)力，所有面板與面板之間的焊縫均采取分段分次、多層多道焊接方法，通過嚴(yán)格控制每道焊縫的焊道厚度、焊接線能量來控制焊接變形[6]。

2）焊接時盡可能使用偶數(shù)焊工對稱施焊，控制焊接變形。

3）控制層間焊接溫度，在焊完1 層后，應(yīng)冷卻一段時間再施焊。防止焊接溫度過高，變形收縮過大。

4）使用火焰加熱法配合千斤頂校正局部焊接變形。

5）通過模板體系轉(zhuǎn)換，控制鋼帽焊接變形及整體尺寸。

3.4.5 焊接工作質(zhì)量

1）所有焊縫的長度，焊腳尺寸符合施工圖紙要求，未經(jīng)許可，不得改變焊縫位置。

2）焊縫不得有焊喉不足、過高、咬邊過量、溢瘤、偏焊、以及未焊透等缺陷。

3）在進(jìn)行焊縫打磨時，不得有過熱傾向和損傷母材表面。

3.4.6 焊縫修磨

1）焊接后，必須用氣割切掉兩端的引、熄弧板或產(chǎn)品試板，并磨平切口，不得損傷母材。

2）焊腳尺寸、焊波或余高等焊縫超差的咬邊必須修磨勻順。

3）焊縫咬邊超過1 mm 或焊腳尺寸不足時，可采用手工電弧焊進(jìn)行返修處理，并修磨勻順。

3.4.7 焊縫返修

1）采用機(jī)械方法清除焊接缺陷，在清除缺陷時刨出利于返修焊的坡口，并用砂輪磨掉坡口表面的氧化皮，露出金屬光澤。

2）焊接裂紋的清除長度由裂紋端各外延50 mm，并刨成1:5 的斜坡。

3）返修焊縫按原焊縫質(zhì)量要求檢驗(yàn)。

4）在焊縫修補(bǔ)過程中的層間溫度需始終保持，不得中途停止，直至修補(bǔ)完畢。

5）修補(bǔ)焊縫一邊的開槽深度，不超出設(shè)計圖紙焊縫有效焊喉的65%，缺陷深度超過以上范圍時，需進(jìn)行反面修補(bǔ)。

6）修補(bǔ)后的焊縫表面采用砂輪打磨勻順。

3.5 檢驗(yàn)

3.5.1 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

1）外觀檢驗(yàn)。待焊縫金屬冷卻后，對所有焊縫進(jìn)行外觀檢查，并填寫檢查記錄備查[7]。不得有裂紋、未熔合、焊瘤、燒穿、夾渣、未填滿弧坑及漏焊等缺陷。焊縫外觀質(zhì)量必須滿足設(shè)計的相關(guān)規(guī)定。外觀檢查不合格的焊接構(gòu)件，必須進(jìn)行修補(bǔ)并打磨勻順，在未進(jìn)行處理并滿足要求之前，不得進(jìn)入下一道工序。

2）無損檢測。經(jīng)外觀檢驗(yàn)合格的焊縫，方可進(jìn)行無損檢測；無損檢測的最終檢驗(yàn)在焊接24 h后進(jìn)行；超聲波探傷應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的相關(guān)要求。

3.5.2 結(jié)構(gòu)外形檢驗(yàn)

對鋼帽整體和局部進(jìn)行平整度檢測、高程檢測，結(jié)果符合圖紙要求。

3.5.3 涂裝檢驗(yàn)

涂裝材料必須一致，在焊縫完成檢驗(yàn)后，對焊縫區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)涂裝[6]。涂膜總厚度應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求，85%測點(diǎn)膜厚度應(yīng)達(dá)到設(shè)計要求，局部未達(dá)到膜厚部分，其膜厚不小于設(shè)計要求的85%。

4 結(jié)語

通過對每一個施工環(huán)節(jié)的周密控制，有效解決了在復(fù)雜環(huán)境下的多個施工難題。目前港珠澳大橋已全線通車，事實(shí)證明本方案安全性高，節(jié)約了大量設(shè)備成本，效果顯著，對以后類似工程的優(yōu)化有一定的借鑒作用。