超大型沉管隧道可逆式主動(dòng)止水楔形接頭的研發(fā)建造

吳鳳亮，李家林，劉兆權(quán)

（1.中交第一航務(wù)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）

1 工作-理

最終接頭為沉管隧道最后沉放對(duì)接部分，重量約6 000 t，由12 000 t大型浮吊吊裝沉放就位后，通過54個(gè)液壓油缸頂推內(nèi)藏于本體兩側(cè)凹槽內(nèi)的小梁壓縮臨時(shí)GINA止水帶實(shí)現(xiàn)與海水隔離，抽排結(jié)合部腔水，形成管內(nèi)無水作業(yè)環(huán)境，在管內(nèi)干環(huán)境施焊鋼接頭，將最終接頭與鋼帽連為整體，從而最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)沉管隧道的貫通[1-2]。主動(dòng)可逆式最終接頭工作示意圖如圖1。

圖1 主動(dòng)可逆式最終接頭工作示意圖Fig.1 Work diagram of active reversible final joint

2 結(jié)構(gòu)形式

2.1 本體結(jié)構(gòu)

本體結(jié)構(gòu)寬37.95 m、立面高11.4 m、頂層長12 m、底層長9.6 m，截面為倒梯形鋼結(jié)構(gòu)，由頂板、底板、側(cè)墻、中墻、剪力鍵、吊點(diǎn)、鋼接頭、管廊等構(gòu)成，主要材質(zhì)為Q420C。2個(gè)1/2本體結(jié)構(gòu)中間安裝有GINA止水帶，通過鋼絞線施加10 000 t預(yù)應(yīng)力壓縮GINA止水帶而連接為一個(gè)整體，圖2為1/2最終接頭三維圖。

圖2 1/2最終接頭三維圖Fig.2 Three-dimensional diagram of 1/2 final joint

2.2 小梁結(jié)構(gòu)

頂推小梁為插入式裝配結(jié)構(gòu)，梁寬37.834 m、立面高11.288m、長1.6m，E29、E30兩側(cè)各1件，每件重約140 t，在整個(gè)結(jié)構(gòu)制造中精度要求最高，小梁的彎曲度、滑移面平整度、Lip和醞形止水帶面的平整度、小梁端面上GINA止水帶面平整度及安裝凹槽的開檔尺寸等精度都需要保證[3]。

3 制造工藝

最終接頭本體由2個(gè)對(duì)稱的倒梯形構(gòu)件組成[4]，每個(gè)構(gòu)件分為10個(gè)分段，零件下料后，畫出腹板、L形加勁板、I形加勁板、縱橫隔板等裝配線，在標(biāo)準(zhǔn)胎架上將分段制作完成。圖3為分段劃分圖。

圖3 分段劃分圖Fig.3 Segment plan

頂推小梁為最終接頭的核心構(gòu)件，為保證制造精度，分段在專用水平鋼平臺(tái)上制作，平臺(tái)整體水平度控制在1 mm/m；為保證小梁截面高度，依次將隔板安裝到位，嚴(yán)格控制隔板安裝過程中的裝配直線度及垂直度；為保證小梁整體表面平整度，在焊接過程中由中間向兩側(cè)對(duì)稱施焊，同時(shí)增加工藝臨時(shí)支承板，減小焊接開口處角變形。

分段制作完成后，在車間進(jìn)行拼裝，結(jié)構(gòu)的彎曲度和垂直度、安裝小梁凹槽開檔和滑移面平整度、Lip和醞形止水帶安裝面平整度、端鋼殼上安裝GINA和Omega止水帶面的平整度制作精度都要求非常高，拼裝精度必須得到保證。

3.1 拼裝流程

為確保拼裝質(zhì)量和精度，在重型鋼結(jié)構(gòu)車間進(jìn)行拼裝，嚴(yán)格按工藝流程進(jìn)行作業(yè)。圖4為E30側(cè)段拼裝流程，E29側(cè)段拼裝流程同E30側(cè)段。

圖4 拼裝工藝流程Fig.4 Assembly process

3.2 胎架布設(shè)

胎架下部以剛性梁為主要支承，在剛性梁上部增加支座，胎架布置后整體采用水平儀校正，修割胎架上口支承板保證拼裝胎架上平面整體水平。

3.3 底墻拼裝

將底墻分段XDB-JD-1、XDB-JD-2節(jié)段依次吊裝到胎架上，根據(jù)地樣線調(diào)整節(jié)段位置，保證構(gòu)件上小梁安裝槽口中心線與地樣線對(duì)齊，同時(shí)調(diào)整節(jié)段左右位置及垂直度。

3.4 下部側(cè)墻、中墻、管廊拼裝

將下部側(cè)墻、中墻、管廊按拼裝順序依次吊裝到胎架上，根據(jù)地樣線調(diào)整節(jié)段位置，保證側(cè)墻節(jié)段上小梁安裝槽口中心線與地樣線對(duì)齊、中墻中心線與地樣線對(duì)齊，同時(shí)調(diào)整節(jié)段位置及垂直度。

3.5 頂墻、上部側(cè)墻吊裝

將頂墻、上部側(cè)墻按拼裝順序依次吊裝到胎架上，根據(jù)地樣線調(diào)整節(jié)段位置，保證節(jié)段上小梁安裝槽口中心線與地樣線對(duì)齊，同時(shí)調(diào)整節(jié)段位置及垂直度。

3.6 拼裝施焊

整體拼裝完成后，整體復(fù)測(cè)結(jié)構(gòu)件拼裝尺寸，確保結(jié)構(gòu)件整體角度、拼裝尺寸、坡口間隙及焊接收縮余量符合要求后施焊，焊接時(shí)每一焊縫焊完后進(jìn)行尺寸復(fù)測(cè)，如產(chǎn)生偏差及時(shí)調(diào)整。焊接時(shí)采用由內(nèi)到外，左右兩兩對(duì)稱焊接方式，同一個(gè)焊縫截面內(nèi)與外、左與右對(duì)稱施焊，對(duì)稱施焊方向一致。

3.7 人孔井、端封門牛腿安裝

安裝頂墻上人孔井座時(shí)確保上部法蘭的垂直度和平面度，在內(nèi)側(cè)劃出預(yù)應(yīng)力支座、端封門牛腿等預(yù)焊件的安裝尺寸線，根據(jù)劃線尺寸將預(yù)焊件裝焊到位。為方便后續(xù)端鋼殼尺寸修割，在距離底板200 mm處端鋼殼內(nèi)、外板上劃出修割基準(zhǔn)線。

3.8 小梁拼裝

頂推小梁與最終接頭主結(jié)構(gòu)凹槽僅有5 mm的裝配間隙，必須保證本體結(jié)構(gòu)與小梁輪廓度匹配精度和主結(jié)構(gòu)與小梁中單側(cè)27個(gè)油缸支座空間相對(duì)位置精度，從而確保在有限空間內(nèi)安裝小梁油缸同時(shí)伸縮的可靠性。

在最終接頭本體拼裝完成后，將分段制作的頂推小梁與最終接頭本體匹配安裝，將小梁緊貼本體內(nèi)側(cè)面，利用工藝定位塊進(jìn)行定位，確保外側(cè)間隙滿足要求。拼裝過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控各尺寸，嚴(yán)控焊接變形量，制作完畢整體測(cè)量后加工滑塊。

4 總裝

2個(gè)1/2本體轉(zhuǎn)運(yùn)至總裝場(chǎng)地，利用1 200 t龍門吊翻身坐胎，然后安裝端封門、頂推系統(tǒng)、Lip和GINA止水帶、OMEGA止水帶、M止水帶及測(cè)量塔等。

4.1 端封門安裝

在最終接頭E29、E30兩側(cè)分別安裝端封門，其中E30側(cè)端封門在節(jié)段拼裝過程中將此端封門安裝完成，E29側(cè)端封門在完成預(yù)應(yīng)力張拉后再進(jìn)行安裝。

1）鋼梁牛腿和鋼梁安裝

鋼梁牛腿安裝前檢測(cè)其平整度并左右對(duì)稱安裝，為保證鋼梁安裝的垂直度及鋼封門安裝后的平整度，頂板及底板預(yù)埋件上下對(duì)齊，中間管廊各鋼梁牛腿與鋼梁的接觸面在橫向方向上均在同一平面內(nèi)，以確保端封門的安裝。

2）鋼封門安裝

圖5 頂推千斤頂安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of push-jack installation

為保證鋼墊塊、外側(cè)牛腿與鋼梁密貼以便傳力，預(yù)埋件與外側(cè)牛腿鋼梁間隙大于2 mm處必須架設(shè)鋼墊塊，墊塊與鋼梁或外側(cè)牛腿密貼頂緊，必要時(shí)進(jìn)行點(diǎn)焊處理，確保安全，端封門依靠密封鋼板焊縫保證密水效果。

4.2 頂推系統(tǒng)安裝

1）千斤頂通過銷軸與小梁鉸座連接，為防止千斤頂?shù)膬A覆，需要在鉸座上預(yù)焊固定螺母，將千斤頂固定牢固，如圖5所示。

2）頂推小梁采用整體吊裝方案，使用龍門吊雙鉤進(jìn)行吊裝，為避免頂推小梁在吊裝過程中發(fā)生變形，經(jīng)過計(jì)算分析采用吊梁吊裝。同時(shí)，為確保吊裝順利安裝，在安裝位置增加導(dǎo)向裝置。

3）頂推小梁整體吊裝到位后使用定位引銷固定，待定位完成后，整體安裝產(chǎn)品銷軸。

4.3 1/2本體翻身

在1/2本體頂推小梁安裝到位后，利用1 200 t龍門吊進(jìn)行整體翻身，風(fēng)力小于10 m/s時(shí)開始起吊，緩慢吊離胎架約100 mm，停留10 min，觀察起重設(shè)備、構(gòu)件等，起吊無異常后吊至所需高度，開始翻身。

4.4 端鋼殼余量修割與安裝

按沉管隧道已安E29和E30沉管間實(shí)際空間三維尺寸修割端鋼殼余量，確保后續(xù)頂推小梁與E29、E30緊密貼合。經(jīng)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)綜合分析，需控制在依3 mm對(duì)最終接頭端鋼殼合攏處端口修割，從而保證最終接頭順利匹配對(duì)接[5]。

4.5 止水帶、剪力件等附屬件的安裝

1）采用專用吊架和平臺(tái)安裝端鋼殼上GINA止水帶。

2）根據(jù)圖紙對(duì)側(cè)墻、中墻、水平剪力鍵進(jìn)行安裝。

3）液壓站、電控柜、測(cè)量設(shè)備等進(jìn)艙并進(jìn)行固定。

4.6 預(yù)應(yīng)力張拉

1）利用1 200 t龍門吊將E29、E30兩個(gè)1/2最終接頭本體分別翻身，吊裝放置在預(yù)先布置好的滑軌上并調(diào)整本體水平。

2）將2個(gè)1/2最終接頭布置在重載平臺(tái)的專用滑移工裝上，并根據(jù)結(jié)構(gòu)重心位置設(shè)置防傾覆支撐。通過油壓千斤頂緩慢頂推滑軌，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向精確微調(diào)，最終達(dá)到張拉的目的。

3）2個(gè)1/2接頭調(diào)整匹配到位后，搭設(shè)專用承插型盤扣式腳手架，采用多臺(tái)專用張拉錨具同時(shí)施工并保證同步，逐步對(duì)鋼絞線進(jìn)行多輪次張拉施工，使鋼絞線預(yù)應(yīng)力達(dá)到10 000 t，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GINA止水帶壓縮量。

4.7 OMEGA止水帶

E29、E30兩個(gè)1/2本體通過預(yù)應(yīng)力張拉壓縮GINA止水帶而成為一個(gè)整體后，從頂板開始對(duì)端鋼殼OMEGA止水帶進(jìn)行安裝，先安裝止水帶角部，然后安裝止水帶的中心線部位，最后安裝角部與中部之間的中點(diǎn)部位。

4.8 頂推系統(tǒng)調(diào)試

頂推液壓系統(tǒng)設(shè)備安裝、精度檢驗(yàn)合格之后，對(duì)兩側(cè)頂推系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足設(shè)計(jì)工作要求。

頂推液壓系統(tǒng)精確安裝后，在最終接頭四角設(shè)置測(cè)量人員，開啟頂推液壓系統(tǒng)，進(jìn)行頂出和回收測(cè)試，每頂推10 cm駐停1次，測(cè)量實(shí)際頂推距離，與頂推系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試設(shè)備運(yùn)行情況及同步性；反復(fù)頂出及回收，測(cè)試頂推液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)運(yùn)行正常。

系統(tǒng)調(diào)試正常后，準(zhǔn)確標(biāo)定頂推系統(tǒng)，獲取修正參數(shù)，E29側(cè)標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。

表1 E29側(cè)頂推系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)表Table 1 E29 side pushing system calibration data sheet cm

獲取標(biāo)定參數(shù)后，在頂推系統(tǒng)中錄入修正參數(shù)，再次進(jìn)行頂推，檢核修正參數(shù)，若差值在限制范圍之內(nèi)，頂推系統(tǒng)標(biāo)定工作完成，否則，重新進(jìn)行標(biāo)定，直至獲取的參數(shù)滿足限差要求[6-7]。

4.9 測(cè)量塔、導(dǎo)向桿的安裝

在預(yù)應(yīng)力張拉后，安裝5個(gè)4.4 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的測(cè)量塔，頂部預(yù)留1 m的高度進(jìn)行頂部平臺(tái)連接，總高度23 m，柱腳與本體結(jié)構(gòu)采用螺栓連接。

4.10 安裝水下施工梯子平臺(tái)及懸掛剛接頭板

1）安裝水下作業(yè)臨時(shí)梯子平臺(tái)，平臺(tái)牢固可靠。

2）根據(jù)E29、E30兩管節(jié)實(shí)際開檔尺寸以及調(diào)位千斤頂?shù)恼{(diào)位精位，確認(rèn)接頭板的余量，修割接頭板一側(cè)坡口，采用鉸鏈將接頭板懸掛于最終接頭構(gòu)件上。

4.11 最終接頭吊裝發(fā)運(yùn)

最終接頭調(diào)試完成并報(bào)驗(yàn)后，通過大型浮吊整體吊裝上船并做好綁扎工作，發(fā)運(yùn)至港珠澳大橋沉管隧道安裝施工現(xiàn)場(chǎng)，如圖6。

圖6 最終接頭吊裝發(fā)運(yùn)Fig.6 Final joint hoisting shipment

5 制造重點(diǎn)與難點(diǎn)

港珠澳大橋沉管隧道最終接頭鋼結(jié)構(gòu)的制造精度和各功能可靠性要求非常高[5]，且屬國內(nèi)首次，具體制造重點(diǎn)和難點(diǎn)分析如下：

1）本體和小梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，3個(gè)大斷面尺寸大，焊接變形大，全斷面平面度要求臆5 mm，醞形止水帶、GINA和OMEGA止水帶面平整度控制難度非常大。

2）最終接頭形體尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)外側(cè)加筋板較多，焊接工作量大，沒有經(jīng)驗(yàn)可循；板單元、拼裝、翻身、轉(zhuǎn)運(yùn)、灌漿及預(yù)應(yīng)力張拉等工序和諸多姿態(tài)，產(chǎn)生構(gòu)件變形因素較多，導(dǎo)致制造精度難以控制，管理和全過程測(cè)控難度增加。

3）頂推小梁柔性大，小梁和主體的匹配間隙難以控制，油缸頂推時(shí)容易出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，小梁制作幾何精度和裝配是制造難點(diǎn)。

4）預(yù)應(yīng)力張拉過程中，由于兩側(cè)構(gòu)件較大，對(duì)兩構(gòu)件的間隙、平行度、相對(duì)位置度要求高，需確保在張拉過程中對(duì)本體無損傷，本體就位難度極大。

5）單側(cè)27個(gè)油缸液壓頂推系統(tǒng)與主結(jié)構(gòu)和頂推小梁同時(shí)連接，空間位置要求高、安裝難度大。

6）港珠澳大橋島隧工程設(shè)計(jì)使用壽命120 a，海底環(huán)境惡劣，對(duì)于最終接頭涂裝質(zhì)量要求高。

6 結(jié)語

2017年5月2日港珠澳大橋島隧工程最終接頭順利安裝成功，國內(nèi)首次采用“三明治”鋼殼混凝土沉管結(jié)構(gòu)，首次成功應(yīng)用“高流動(dòng)性混凝土”新工法，世界范圍內(nèi)首次在沉管工程中采用“M形+Lip+GINA”止水帶組合頂推系統(tǒng)臨時(shí)止水，歷時(shí)3 a多的最終接頭攻關(guān)完美收官，并獲相關(guān)專利十余項(xiàng)，為港珠澳大橋順利貫通提供有力技術(shù)支撐，為類似工程提供了借鑒。