大型噴泉鋼管桁架浮體加工安裝技術(shù)

朱峰峰，袁 豪，肖玉鋒，白 琚，賈 濤

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

“印象嘉陵江”公園中的音樂噴泉于2018年9月開工建造，2019年1月正式完工。噴泉主噴高度可達(dá)200m，修建于四川省南充市嘉陵江副航道內(nèi)，噴泉靠高坪區(qū)一側(cè)，噴泉后側(cè)為王府井廣場，周邊人流密集。嘉陵江此段上游為小龍門航電站，下游為青居水電站。目前，其規(guī)模遠(yuǎn)超國內(nèi)其他噴泉。噴泉修建于嘉陵江中，水位無法人工調(diào)控，在每年汛期，嘉陵江水位波動通常在5m以上。噴泉建設(shè)位置如圖1所示，尺寸如圖2所示。

圖1 噴泉建設(shè)位置示意

圖2 噴泉浮體尺寸示意(單位：m)

噴泉東西跨度40m、南北跨度200m，是一個(gè)集噴火、激光、投影、音樂于一體的大型聲光水藝秀景觀工程。除主噴噴頭外，所有設(shè)備安裝在噴泉浮體上，包括水面燈光設(shè)備、牽引控制設(shè)備、水型噴頭、氣爆裝置。浮體自重535t，設(shè)備重95t，浮體為雙層桁架結(jié)構(gòu)。下層浮體在表演工況及正常水位時(shí)處于水下，上層浮體作為噴頭、線纜及燈具的支架。上層浮體總長度為200.300m，總寬度為40.8m；下層浮體總長度為194.499m，總寬度為36.550m。浮體為雙層桁架結(jié)構(gòu)，桁架桿件為外徑300mm(壁厚8mm)的Q235螺旋鋼管。

2 總體施工安排

噴泉修建于嘉陵江中，需填筑圍堰來提供工作面?？紤]到圍堰填筑區(qū)域河床為砂卵石層和淤泥層，結(jié)構(gòu)松散，滲水性強(qiáng)，圍堰底承載力差。另外，工程工期較短，因此，工程采用岸上分段加工完成浮體，再在水中組合拼接成整個(gè)浮體，使噴泉專業(yè)施工和土建結(jié)構(gòu)場地分離、同步施工，提高了施工效率，縮短了施工工期，進(jìn)而降低了施工成本。

工程開工前，對整個(gè)場地進(jìn)行規(guī)劃，在非主要施工區(qū)域(施工內(nèi)容少、簡單、可快速收尾且靠近江邊的區(qū)域)設(shè)置噴泉浮體加工場地，就近設(shè)置材料臨時(shí)堆場。為提高材料轉(zhuǎn)運(yùn)效率，堆場附近設(shè)置2個(gè)吊裝區(qū)域(見圖3)，租用2臺100t汽車式起重機(jī)作為長期吊裝設(shè)備進(jìn)行浮體鋼組件吊裝、材料轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖3 區(qū)域分布

噴泉浮體在岸邊分段加工完成后，在卷揚(yáng)機(jī)的牽引下緩慢滑入水中，在水中組裝完成，然后利用駁船將浮體整體牽引至圍堰內(nèi)完成后續(xù)安裝工作。

3 浮體加工及安裝技術(shù)

3.1 加工平臺

3.1.1胎架

噴泉在現(xiàn)場制作的胎架上完成初步加工。胎架為噴泉浮體焊接、焊縫防腐等工作提供施工平臺，同時(shí)兼作噴泉下水滑道。根據(jù)噴泉浮體尺寸及設(shè)計(jì)方案，胎架由鋼管及支撐腳組成。由于胎架還作為浮體下水滑道，需保證胎架鋼管在受力后不出現(xiàn)較大變形，每根胎架鋼管受25組支撐腳支撐，整個(gè)胎架由67根50m長的螺旋鋼管組成，沿垂直岸線方向間隔3m布置。

胎架鋼管兩端設(shè)置吊架，兩端吊架均由∟75×5焊接而成。支架及吊架基礎(chǔ)均為混凝土預(yù)制塊，尺寸分別為200mm×200mm×100mm及2 000mm×1 000mm ×200mm，吊架配備起重滑輪。胎架系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 胎架系統(tǒng)示意

通過兩端吊架調(diào)整胎架坡度，使每根胎架鋼管高度和角度保持一致。調(diào)整好胎架高度和角度(使用全站儀)后焊接胎架鋼管支撐腳。如果部分胎架受壓后托空，可及時(shí)利用吊架矯正。

浮體加工工期為1個(gè)月，考慮到南充市當(dāng)?shù)貧夂驐l件，浮體加工期間降雨概率較高，容易導(dǎo)致胎架沉降。因此，在使用過程中需設(shè)專人對胎架傾斜度及標(biāo)高等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)胎架參數(shù)變化需立即調(diào)整。防止胎架托空導(dǎo)致浮體鋼管受彎撓曲。

3.1.2加工場地

規(guī)劃的噴泉浮體加工區(qū)域?yàn)榻瓰┑?，地表為砂卵石層，灘地有約20%的自然坡度，地表不平整。場地用于加工支撐浮體所用胎架。胎架總重約為224t。

經(jīng)計(jì)算，胎架支撐腳對地面的壓強(qiáng)為5.223kPa。根據(jù)場內(nèi)其他區(qū)域施工過程中的數(shù)據(jù)顯示，砂卵石層地基承載力可達(dá)80kPa，場地平整、壓實(shí)后進(jìn)行動力初探試驗(yàn)，可滿足使用條件。若地面承載力不足，可考慮拌合水泥土進(jìn)行固結(jié)加強(qiáng)。

3.2 浮體加工

浮體加工既可將成品螺旋鋼管采購至現(xiàn)場切割加工成設(shè)計(jì)長度，也可在工廠加工成設(shè)計(jì)長度，處理后運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行組裝，考慮到現(xiàn)場加工精度及工期等因素，本工程采用工廠加工的方式。

3.2.1浮體鋼結(jié)構(gòu)組件分段加工

分段加工時(shí)主要考慮如下問題。

1)為保證浮體氣密性，需盡量減少分段，以減少焊縫數(shù)量。

2)浮體長度、自重大，若按整體組裝焊接不易控制，且須保持整體下水，增加了因操作失誤導(dǎo)致浮體撓曲變形的風(fēng)險(xiǎn)。

3)浮體管件并非均勻排布，非等分段將增加分段浮體的浮力差，最終導(dǎo)致分段浮體對接困難。

4)考慮到浮體施工工期緊，加工場地僅有70m長、43m寬，同時(shí)管件在加工平臺上的吊裝需采用汽車式起重機(jī)，可租用的汽車式起重機(jī)工作半徑最大為30m左右，因此，最大分段長度為70m。

綜上，將整個(gè)浮體等分為3段進(jìn)行加工，每段長度約66m。上中壩音樂噴泉長寬比達(dá)5∶1，浮體長度為200m，由于浮體尺寸原因，浮體加工、下水過程中更易產(chǎn)生撓曲，分成小段加工能降低變形風(fēng)險(xiǎn)，質(zhì)量控制更有保障。對于尺寸較小且加工場地充足的情況，無需分段加工。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，對浮體鋼結(jié)構(gòu)組件進(jìn)行編組編號以便現(xiàn)場組對(見圖5，圖中A為分段號，Z,H分別表示鋼管布置為縱向、橫向)。施工時(shí)將整個(gè)浮體劃分為A，B，C段，現(xiàn)場3段同時(shí)進(jìn)行拼接。鋼組件出廠前進(jìn)行試拼裝，試拼后將編號標(biāo)記至管件上。

圖5 鋼組件編號

分段浮體拼接位置設(shè)置法蘭盤，對接處端頭封閉，形成3個(gè)獨(dú)立的封閉浮體。

3.2.2浮體拼裝

噴泉浮體應(yīng)有良好的氣密性，對組成管件的加工質(zhì)量要求較高，浮體組件運(yùn)至現(xiàn)場后先對管口進(jìn)行檢查，若有管口切割嚴(yán)重不平整、破損、尺寸偏差>5mm 等情況需更換管件，否則極易造成浮體漏水下沉。焊接前按編號對管件進(jìn)行組對，確認(rèn)無誤后，按編號對管口進(jìn)行焊接。

浮體焊接采用單面電弧焊，焊縫接口為V形，坡口角度α=60°。焊接完成后進(jìn)行無損探傷，抽檢比例為50%，射線探照為5%，技術(shù)等級為B級。焊接前需將焊口表面用磨光機(jī)打磨干凈，不得有銹蝕、油漬及其他污跡，然后檢查管口坡口尺寸、角度等。對于焊接前不符合要求的管件須更換。

浮體焊接方向是沿胎架斜面坡底到坡頂方向(見圖6)，以坡底首根管件固定后作為整段浮體焊接的基準(zhǔn)，開始分段浮體組裝焊接。

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圖6 施工方向示意

3.2.3浮體檢修走道網(wǎng)鋪設(shè)

浮體檢修走道網(wǎng)直接焊接在浮體表面，為噴泉后期檢修維護(hù)通道，焊接走道網(wǎng)時(shí)也需特別注意，防止將管壁燒穿，走道網(wǎng)的角鋼需提前加工，保證與管壁貼合。走道網(wǎng)分布如圖2所示。

走道網(wǎng)由∟50×5及承重鋼板網(wǎng)焊接組成，覆蓋平臺上燈具及噴頭位置，與下層浮體鋼管焊接連接(見圖7)。

圖7 走道網(wǎng)示意

3.2.4浮體氣密性試驗(yàn)

分段焊接完成后檢測分段氣密性，試驗(yàn)壓力為0.115MPa(設(shè)計(jì)要求壓力)。試驗(yàn)步驟如下。

1)試壓開始前使用鼓風(fēng)機(jī)吹掃管道焊縫，將試驗(yàn)壓力表安置在分段浮體上方及下方出口。

2)配制檢查泄露口的肥皂溶液。

3)用空壓機(jī)加壓，按試驗(yàn)壓力的10%逐級增壓，每級加壓完成后穩(wěn)壓10min，加至試驗(yàn)壓力后穩(wěn)壓30min。升至設(shè)計(jì)要求壓力后檢查管道是否存在泄露。待溫度、壓力穩(wěn)定后開始記錄。

4)穩(wěn)壓持續(xù)時(shí)間為24h，每小時(shí)記錄1次壓力。計(jì)算修正壓力降，修正壓力降若<133Pa，則氣密性合格，按式(1)計(jì)算修正壓力降。

ΔP′=(H1+B1)-(H2+B2)(273+t1)/(273+t2)

(1)

式中：ΔP′為修正壓力降；H1，H2分別為試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的壓力讀數(shù)(Pa)；B1，B2分別為試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的氣壓計(jì)讀數(shù)(Pa)；t1，t2分別為試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)的環(huán)境溫度(℃)。

若未通過氣密性試驗(yàn)，則應(yīng)使用肥皂溶液找出漏氣部位，對該部位進(jìn)行補(bǔ)焊直至氣密性合格。

3.2.5防腐涂層完善及修補(bǔ)

噴泉浮體鋼組件在出廠前需完成涂裝，在工廠內(nèi)涂裝相比在施工現(xiàn)場涂裝質(zhì)量穩(wěn)定、速度快，本工程所使用的浮體鋼組件采用4層涂裝防腐工藝，防腐涂層由上至下分別為：富鋅底漆、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧云鐵、環(huán)氧瀝青(見圖8)。富鋅底漆對于鋼結(jié)構(gòu)的防腐至關(guān)重要，對螺旋鋼管表面具有良好的吸附力，能起到良好的防銹效果；環(huán)氧樹脂能產(chǎn)生較強(qiáng)的黏附力，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，固化收縮性低；環(huán)氧云鐵漆膜硬度高，耐高溫，不影響焊接性能；環(huán)氧瀝青延展性、收縮性與鋼板相近，能減少漆膜開裂。此種防腐涂層能較好地應(yīng)對江水中含氧量較高、離子濃度較高、溫差大的水環(huán)境，提高噴泉浮體的使用壽命。

圖8 鋼材防腐涂層

浮體組裝焊接后會對焊接區(qū)域涂裝造成損傷，浮體焊接及氣密性檢測工序完成后還需對焊縫、涂層擦刮區(qū)域進(jìn)行重新涂裝。涂裝前需對鋼材表面噴砂打磨處理，表面粗糙度達(dá)40～75μm。每層涂裝厚度≥160μm。

3.3 浮體分段拼接組合

浮體分段拼接是將分段加工完成的浮體在水中拼接成整體的過程，一般鋼結(jié)構(gòu)連接有焊接和螺栓連接兩種方式。由于本工程操作環(huán)境在江面，無法實(shí)施焊接，因此，選擇螺栓連接方式。拼接前需將浮體從胎架上下滑至江面，浮體下水操作流程如下。

1)啟動坡頂卷揚(yáng)機(jī)，將浮體拉緊，確保分段浮體下水可控。卷揚(yáng)機(jī)選用原則為：①數(shù)量需>2臺，沿坡頂均勻布置，防止單點(diǎn)受力導(dǎo)致浮體在胎架平面傾斜，由此產(chǎn)生的水平力可能壓翻胎架鋼管; ②卷揚(yáng)機(jī)拉力之和大于分段浮體沿胎架斜面方向的分力。

分段胎架重1 920kN，沿滑道斜面的分力為376.5kN，沿垂直滑道斜面的分力為1 882.7kN。胎架鋼管與浮體動摩擦因數(shù)取0.1，則分段胎架所受摩擦力為188.27kN，下滑過程中所需控制力為376.5kN-188.27kN=188.23kN。因此選用2臺額定拉力100kN的卷揚(yáng)機(jī)。

2)拆除限位鋼柱 開啟卷揚(yáng)機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)鋼繩張緊后，工人應(yīng)迅速割除限位鋼柱，限位鋼柱割除后留下的茬口極易劃傷胎架鋼管表面，需用砂輪將茬口打磨平整。平整度應(yīng)以手掌劃過無任何凸起為宜。

3)浮體下水拼接組合 下游段及中段浮體首先下水完成拼接，上游段浮體最后下水與中段浮體拼接，完成整個(gè)拼接過程。首先緩慢放松卷揚(yáng)機(jī)(多臺卷揚(yáng)機(jī)須注意同步)，使分段浮體在卷揚(yáng)機(jī)的控制下逐步滑入水中并立即與駁船連接固定。2塊分段浮體在駁船的牽引下完成拼接并拋錨，待最后1塊浮體下水后拼接完成。每個(gè)分段加工完成下水后，用繩索錨固在岸邊，然后在浮體上進(jìn)行設(shè)備安裝。

3.4 浮體牽引方式的選擇

分段浮體下水后在水中進(jìn)行拼裝，在水中空間位置的調(diào)整是浮體拼接的主要工作。每段浮體重約180t，在水中改變分段浮體的運(yùn)動狀態(tài)較困難，同時(shí)還要保證位置調(diào)整操作的靈活性。參考大型船舶在水中無動力牽引的方式，通常有2種：①在兩岸以不同角度，通過工人拉纖繩來調(diào)整大船位置；②通過駁船頂推的方式來調(diào)整大船位置。

噴泉建設(shè)位置地處嘉陵江，江岸較寬，浮體位于東側(cè)江岸，浮體距東側(cè)江岸近，距西側(cè)較遠(yuǎn)(見圖9)。

圖9 周邊環(huán)境

若采用第①種方式，西側(cè)面距離浮體較遠(yuǎn)，兩邊牽引距離不對稱將導(dǎo)致控制困難。因此，采用第②種方式進(jìn)行牽引。現(xiàn)場踏勘結(jié)果顯示，水面寬度和水域深度均滿足駁船使用條件。

因噴泉浮體完全沒入水中后，浮體浮力遠(yuǎn)大于浮體自重，因此，垂直位置調(diào)整較平面位置調(diào)整更困難。為避免此問題及滿足后期運(yùn)行時(shí)對浮體自重調(diào)整的需要，借鑒潛水艇原理，每段浮體均設(shè)置水艙用于調(diào)節(jié)浮體自重，利用微小高差在浮體上加荷載的方式調(diào)節(jié)。

3.5 浮體就位安裝及固定

浮體利用剛性牽拉桿與河底牽拉樁連接，牽拉桿運(yùn)用搖桿原理使浮體升降。牽拉桿在連接浮體之前由于自重原因會沉入水底，在4～5m水深情況下無法確定其位置，若人工潛水打撈操作不便且成本較高。因此，利用漂浮物標(biāo)記牽拉桿位置，通過與漂浮物相連的鐵鏈將牽拉桿拉起，浮體就位后與牽拉桿完成連接。漂浮物標(biāo)定位置如圖10所示。

圖10 漂浮物標(biāo)定位置

漂浮物選擇球形，球形漂浮物表面光滑，浮體進(jìn)入圍堰后在移動過程中不會被漂浮物絆掛，球體在水面上的露出體積控制在0～1/5倍球直徑范圍，便于尋找，同時(shí)減少對浮體的阻礙。

浮體進(jìn)入圍堰前，牽拉桿標(biāo)定工作必須全部完成，確保漂浮物工作可靠，用駁船將浮體牽引至設(shè)計(jì)安裝位置并保持位置不動。工人上浮體完成浮體及卷揚(yáng)機(jī)的連接，由于水下視野不良，連接完畢后開啟卷揚(yáng)機(jī)，需測試1遍連接情況。

4 結(jié)語

采用鋼管浮體無需外加浮箱，整體較美觀。鋼管桁架結(jié)構(gòu)提供了可靠的設(shè)備承載平臺，確保了噴泉運(yùn)行時(shí)的可靠性。盡管鋼管桁架浮體平臺加工安裝施工質(zhì)量要求高，工藝相對復(fù)雜，但其優(yōu)異的性能使其成為大型噴泉浮體的常規(guī)選擇。