淺談沉管暗埋段鋼端殼安裝工藝

郭昊陽

（中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 3004516）

某人工島島上段隧道設(shè)置止推段，鋼端殼安裝在止推段端頭，與管段混凝土聯(lián)為一體，主要作用是連接管段接頭時(shí)，用來安裝GINA止水帶及Ω型止水帶，供管節(jié)沉放對接止水用。在兩管節(jié)的對接過程中，巨大的水壓使GINA止水帶壓縮，其承壓力由鋼端殼承受。暗埋段鋼端殼與A型配對連接，為使GINA止水帶完全均勻壓縮，以達(dá)到兩管節(jié)緊密結(jié)合，使接頭完全水密，以及為適應(yīng)各管節(jié)沉放后的坡度變化，對鋼端殼的平整度、傾斜度等安裝精度要求非常高。而鋼端殼吊運(yùn)安裝焊接時(shí)，容易變形，錨筋的連接，面板的安裝，再次施焊，極易造成鋼端殼施工誤差超標(biāo)。因此保證寬37.95m、高11.44m的鋼端殼的安裝精度顯得異常困難。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，為了保證鋼端殼平面不平度±5mm，每延米不平度±1mm的要求，在鋼端殼的外側(cè)制作一個(gè)整體的鋼結(jié)構(gòu)支架，該鋼結(jié)構(gòu)支架有兩個(gè)作用；一是安裝鋼端殼工字鋼時(shí)起到安裝定位及支撐工字鋼的作用，二是在鋼端殼工字鋼在澆筑暗埋段主體混凝土?xí)r，工字鋼作為模板的一部分，其可對工字鋼提供抵抗混凝土側(cè)壓力所需的反力，并控制鋼端殼在混凝土澆筑下的受力變形。端面板的焊接量非常大，為了控制變形，所有面板均在主體混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后進(jìn)行分塊拼裝，整體側(cè)量滿足誤差要求后，采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，小電流多層焊，減小局部焊接變形。

1 輔助鋼支架設(shè)計(jì)

鋼支架采用型鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)由16片三角形桁架拼接而成。立柱采用型鋼HW300×300×10×15，斜支撐采用型鋼HW25×25×9×15，中間拉桿采用型鋼HW25×25×9×15，兩片三角形桁架之間用型鋼[25剪刀撐連接。整個(gè)桁架由上部型鋼HW300×300×10×15橫梁連接成型。

1.1 中間支撐受力分析

分析時(shí)，只考慮混凝土澆注時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向載荷。

根據(jù)實(shí)際要求，第一層混凝土澆筑墻面最大澆筑高度0.69m；混凝土坍落度140mm，外加劑影響系數(shù)β1=1.1，混凝土坍落度影響修整系數(shù)β2=1.15，混凝土重力密度24kN/m3；混凝土最大澆筑速v=2.5m/h；平均澆筑速度v=0.8m/h；混凝土入模溫度t=25oC，t0=200/（5+15）=10h，采用內(nèi)部振搗器，振搗荷載4kN/m2，外加劑影響系數(shù)1.0。

取兩者較小值即F=16.56kN/m2。

有效壓頭高度為h=F/rc=16.56/24=0.69m。

（1）傾倒砼時(shí)產(chǎn)生的水平荷載Q=4kN/m2。

（2）計(jì)算強(qiáng)度時(shí)荷載設(shè)計(jì)值：F×1.2+Q×1.4=25.427kN/m2。

中間支撐采用橫梁單元進(jìn)行分析。

受力分析時(shí)固定支架下部的個(gè)榫節(jié)點(diǎn)，在上部各榫節(jié)點(diǎn)之間施加局部均布載荷。對需要特別關(guān)注的截面進(jìn)行局部網(wǎng)格控制。

通過Simulation FEA分析，得到應(yīng)力云圖及位移云圖，見圖1、圖2。

圖1 中間支撐載荷FEA應(yīng)力云圖

圖2 中間載荷FEA位移云圖

σmax=8.4MPa＜[σ]滿足要求。

1.2 端部支撐受力分析

分析時(shí)，只考慮混凝土澆注時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向載荷。

根據(jù)實(shí)際要求，第二層混凝土澆筑墻面最大澆筑高度8.55m；混凝土坍落度140mm，外加劑影響系數(shù)β1=1.1，混凝土坍落度影響修整系數(shù)β2=1.15，混凝土重力密度24kN/m3；混凝土最大澆筑速v=2.5m/h；平均澆筑速度v=0.8m/h；混凝土入模溫度t=25oC，t0=200/（5+15）=10h，采用內(nèi)部振搗器，振搗荷載4kN/m2，外加劑影響系數(shù)1.0。

取兩者較小值即F=105.67kN/m2

有效壓頭高度為h=F/rc=105.67/24=4.4m。

（1）傾倒砼時(shí)產(chǎn)生的水平荷載Q=4kN/m2

（2）計(jì)算強(qiáng)度時(shí)荷載設(shè)計(jì)值：F×1.2+Q×1.4=132.33kN/m2

計(jì)算剛度時(shí)荷載設(shè)計(jì)值：105.67kN/m2。

端部支撐受力分析時(shí)采用實(shí)體單元進(jìn)行分析。受力分析時(shí)固定支架下部的個(gè)榫節(jié)點(diǎn)，在端部支撐施加局部均布載荷。對需要特別關(guān)注的截面進(jìn)行局部網(wǎng)格控制。

經(jīng)分析后得出應(yīng)力云圖和位移云圖，見圖3～5。

圖3 端部支架載荷FEA應(yīng)力云圖

σmax=8.4MPa＜[σ]滿足要求。

圖4 端部支架載荷FEA位移云圖

圖5 端部支架FEA分析 重要節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值圖

2 施工流程（如圖6）

圖6 現(xiàn)場施工流程

3 施工方法

3.1 端鋼殼安裝

現(xiàn)場安裝鋼支架→將分段好的端鋼殼進(jìn)行拼裝，并初步調(diào)平→澆筑管段（分段澆筑）混凝土→安裝端面板及精確調(diào)平→檢查安裝誤差→拆除支承胎架。

（1）鋼支架的安裝。根據(jù)基坑邊墻上標(biāo)注的高度線和斜度線，進(jìn)行支架立柱的定位，支架與混凝土路面的連接采用膨脹螺栓固定，立柱定位完成后進(jìn)行斜撐和橫撐的就位焊接。鋼支架安裝包括主體骨架定位焊接和在鋼骨架上設(shè)置強(qiáng)托板和定位板等粗細(xì)定位，定位板得設(shè)置利用全站儀進(jìn)行定位和復(fù)核。

（2）鋼端殼H型鋼的安裝。先將兩側(cè)的鋼端殼根據(jù)傾斜度進(jìn)行固定，然后將上面水平兩段安裝固定在支架上后，用測量儀整體測量鋼端殼的平整度和傾斜度要保證正確，再焊接必要的定位馬板和準(zhǔn)備必要的定位工具固定整個(gè)鋼端殼。整體拼裝結(jié)束后對成型構(gòu)件進(jìn)行尺寸復(fù)核（外形尺寸、平整度和傾斜度），保證滿足圖紙要求，焊接后在對接處做UT探傷檢驗(yàn)和尺寸檢驗(yàn)（外形尺寸、平整度和傾斜度）。整體拼裝焊接完成后，將模板和支架間設(shè)置若干臨時(shí)支撐進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，防止?jié)仓炷r(shí)由于側(cè)壓力和膨脹等因素二導(dǎo)致鋼端殼變形。

（3）鋼端殼面板安裝。面板的精度要求高,每道工序應(yīng)控制好精度和盡可能減少焊接變形：拆除工裝支架,并搭置安全的施工平臺(tái)，用測量儀檢查鋼端殼在澆筑混凝土后的變形情況。用測量儀定出面板的安裝線,將安裝線用洋沖孔打在鋼端殼的上下翼緣上。將面板吊裝定位,頂緊于定位板上，并隨時(shí)檢檢與安裝線的對應(yīng),每延米間用鋼靠尺檢查平整度。焊接采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，小電流多層焊，減小焊接變形。第一面板焊完后,測量其變形情況,確認(rèn)施工方式能達(dá)到要求后再裝焊其他鋼面板，邊裝焊邊測量,保證精度要求。

3.2 精度測量

（1）測量放樣。鋼端殼的安裝整個(gè)過程采用激光全站儀控制，在施工過程的過程中假定一個(gè)垂線面，然后計(jì)算每段鋼端殼至假定面的相對距離。采用高精密度卡尺量取鋼端殼至假定面的距離進(jìn)行安裝。在鋼端殼安裝的過程中存在著許多不可預(yù)測的因素，如阻檔物過多，將給假定面的定位造成干擾，為使安裝過程能順利完成，將在假定面上做六個(gè)控制點(diǎn)保證通視。在基坑底上布設(shè)三個(gè)點(diǎn)（兩邊點(diǎn)和中心點(diǎn)），在基坑冠梁頂上布設(shè)三個(gè)點(diǎn)（兩邊點(diǎn)和中心點(diǎn)）。

（2）測量檢查。鋼端殼安裝過程中，采用上述相對距離量取方法時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)一些人為的誤差。為保證安裝的正確性，將采用相對距的校正。在假定面與鋼端殼鋼延垂線上擺設(shè)儀器，測量假定面至鋼端殼的相對距離是否與換算值一致。

4 結(jié)語

本文結(jié)合南方某島隧工程施工實(shí)例，在施工前期采用Solidworks中的Simulation模塊對輔助支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)和受力變形分析，完工后鋼端殼空間姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，數(shù)據(jù)偏差較小，證明該方法可有效地解決鋼結(jié)構(gòu)變形不可控問題，為以后解決類似高精度鋼結(jié)構(gòu)或鋼模板工程提供參考。