沉管隧道鋼端殼安裝精度控制

劉 凱，陳 霞

(1.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003;2.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東聊城 252059)

0 引言

沉管隧道主要有鋼端殼管段隧道和混凝土管段隧道。沉管混凝土隧道最早出現(xiàn)在歐洲，荷蘭于20世紀(jì)60年代發(fā)明了舉世聞名的GINA止水帶，混凝土管段沉管施工方法得到了極大的簡(jiǎn)化和優(yōu)化，開始在世界上廣為推廣，現(xiàn)今世界已建成了40多座混凝土管段沉管隧道。

鋼端殼安裝在混凝土管段的2個(gè)端頭，與管段混凝土連為一體，主要作用是在連接各管段接頭時(shí)，安裝GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶，供管段沉放期間管段結(jié)合使用。混凝土沉管隧道管段間采用柔性接頭，即在沉管管段端頭混凝土上預(yù)埋鋼端殼，其上安裝GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶，沉放后兩節(jié)管段間通過水力壓接，擠壓GINA止水帶(壓縮量達(dá)60 mm)，形成柔性接頭。管段間接頭止水完全依賴于GINA止水帶與鋼端殼的密貼和止水帶的正常壓縮;因而，鋼端殼施工的質(zhì)量在混凝土沉管中至關(guān)重要。文獻(xiàn)［1－10］主要對(duì)沉管隧道綜合技術(shù)的設(shè)計(jì)和探討進(jìn)行研究論述，未對(duì)具體關(guān)鍵施工工藝進(jìn)行詳細(xì)闡述，而本文重點(diǎn)針對(duì)沉管隧道鋼端殼的安裝關(guān)鍵工序進(jìn)行闡述探討。

1 鋼端殼加工制作

根據(jù)GINA橡膠止水帶和OMEGA橡膠止水帶性能及止水需要，設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算給出:鋼端殼面板和內(nèi)翼板安裝精度需達(dá)到每延米平整度≤1 mm，整體平整度≤3mm，加工精度必須高于安裝精度才能滿足需要。

1.1 鋼端殼分段

生—大沉管隧道(廣州生物島—大學(xué)城隧道以下簡(jiǎn)稱生—大沉管隧道)鋼端殼，長(zhǎng)23m，高8.7m，寬0.45m，為大型框架鋼結(jié)構(gòu)。鋼端殼分段數(shù)量需考慮鋼端殼整體尺寸、加工誤差控制需要、工廠精加工允許規(guī)模、運(yùn)輸便利、現(xiàn)場(chǎng)拼裝方便和精度利于控制等因素。由于鋼端殼現(xiàn)場(chǎng)拼裝時(shí)分段接頭處平整度較難控制，誤差最大，因而在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地減少分段數(shù)量。生—大沉管隧道根據(jù)設(shè)計(jì)情況和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，分為6段加工，具體分段如圖1所示。鋼端殼分段加工采用專業(yè)鋼構(gòu)件加工廠精加工生產(chǎn)。

圖1 鋼端殼分段示意圖Fig.1 Segmentation of steel end shell

1.2 加工精度控制

加工時(shí)內(nèi)翼板與其他板面共同組成鋼端殼的腔體，面板則可最后嵌入安裝焊接。內(nèi)翼板加工精度應(yīng)考慮后期腔體框架安裝焊接及面板安裝焊接造成的誤差，并采取措施抵消后期誤差。根據(jù)生—大沉管隧道鋼端殼安裝施工情況，安裝施工時(shí)內(nèi)翼板極易變形，且變形后矯正難度特別大;因此，加工時(shí)應(yīng)增強(qiáng)內(nèi)翼板的剛度，其鋼板厚度要較其他鋼板稍厚，且在內(nèi)翼板下加設(shè)加勁板增強(qiáng)剛度，加勁板間距一般為60～80 cm，最后再上刨床將內(nèi)翼板上表面刨平，這樣能很好地減小后期安裝誤差。鋼端殼剖面細(xì)部示意圖如圖2所示。

圖2 鋼端殼剖面細(xì)部示意圖Fig.2 Profile of steel end shell

面板加工可在鋼端殼腔體框架安裝完成前1周在現(xiàn)場(chǎng)加工，避免因存放過久、長(zhǎng)距離運(yùn)輸產(chǎn)生變形。加工時(shí)應(yīng)在平整度高的平臺(tái)上進(jìn)行，以保證面板平整度和加工精度(特別是橫向平整度，誤差過大則無法整改)。

2 鋼端殼安裝

精度要求:整體平整度≤3 mm，每延米平整度＜1 mm;橫向垂直度(左右2點(diǎn)之差)＜3 mm;豎向傾斜度(上下2點(diǎn)之差)＜3 mm。

2.1 測(cè)量精度控制

根據(jù)管段預(yù)制施工的特點(diǎn)，因后期還需浮運(yùn)沉放，對(duì)絕對(duì)精度要求不高;而對(duì)于每節(jié)管段本身的局域相對(duì)控制精度則要求非常高，這樣才能保證與其他管段精確對(duì)接。在管段預(yù)制前，每節(jié)管段建立相應(yīng)的矩形控制網(wǎng)來測(cè)量和控制管段施工，管段中軸線與矩形網(wǎng)中線重合，管段橫軸與矩形網(wǎng)短邊平行。高程控制也需按相對(duì)精度控制，水準(zhǔn)網(wǎng)控制點(diǎn)與矩形網(wǎng)控制點(diǎn)重合。

鋼端殼利用矩形網(wǎng)進(jìn)行控制，建立鋼端殼三維控制基準(zhǔn)線。在生—大沉管隧道中，利用投放平行鋼端殼面板的基準(zhǔn)面來控制鋼端殼面板安裝施工，施工過程中利用矩形控制網(wǎng)投放平行于鋼端殼面板的斷面點(diǎn)，用0.5 mm鋼絲將投放的斷面點(diǎn)連接，形成檢驗(yàn)定位的基準(zhǔn)線。

2.2 鋼端殼框架安裝

2.2.1 基礎(chǔ)處理

在生—大沉管隧道中，鋼端殼碎石基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與管段其他基礎(chǔ)相同，不能滿足鋼端殼安裝穩(wěn)定性和控制精度要求。施作時(shí)將其改為20 cm厚的素混凝土基礎(chǔ)，以此來保證基礎(chǔ)穩(wěn)定和便于操作控制。根據(jù)施作效果來看，對(duì)框架姿態(tài)控制不太理想，建議在施作混凝土基礎(chǔ)時(shí)預(yù)埋鋼板，使預(yù)埋鋼板姿態(tài)傾角與鋼端殼一致，并可在預(yù)埋鋼板上焊接定位塊，對(duì)框架底部姿態(tài)精確控制。

2.2.2 胎架安裝

鋼端殼框架安裝需在空間控制定位，必須制作安裝支撐定位的胎架來控制其三維空間姿態(tài)。胎架應(yīng)選擇剛度較好的型鋼焊接組成，以確保牢固穩(wěn)定，滿足支撐定位要求且能承受澆筑混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力，保證鋼端殼框架姿態(tài)無變形。

2.2.3 框架安裝

鋼端殼框架是由內(nèi)外翼板及翼板連接鋼板焊接組成的鋼結(jié)構(gòu)半腔體，用于鋼端殼面板的嵌入焊接。框架安裝前應(yīng)將三維控制基準(zhǔn)線投放到胎架上，對(duì)框架安裝進(jìn)行控制。根據(jù)基準(zhǔn)線在胎架上焊接限位塊，便于鋼端殼框架定位操作。安裝順序一般從底部的中間兩塊開始，各段存在插接，需順時(shí)針或逆時(shí)針依次安裝(例如:按照逆時(shí)針1分段—2分段—3分段—4分段—5分段—6分段依次安裝，見圖1)。在拼裝過程中，注意控制各分段接頭處的平整度和精度，在接頭處由于空間自由度變化方向多且限制量少，需多次復(fù)核校正。先點(diǎn)焊，再段焊，最后分層滿焊，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行調(diào)整，最終保證安裝精度。

2.3 鋼端殼面板安裝

鋼端殼框架安裝完畢后，經(jīng)測(cè)量復(fù)核，安裝精度滿足設(shè)計(jì)要求，并確認(rèn)胎架與支撐加固體系牢固穩(wěn)定后，方可開始安裝鋼端殼面板。此時(shí)的面板安裝為初次安裝，應(yīng)在混凝土澆筑前完成，精度要求不高，目的是為了減小鋼端殼框架腔體變形，增加剛度。將面板點(diǎn)焊嵌入，待混凝土澆筑完成，變形量穩(wěn)定后，暫時(shí)將面板拆除，對(duì)鋼端殼內(nèi)翼板全面測(cè)量復(fù)核，并對(duì)變形超標(biāo)的進(jìn)行處理，然后再對(duì)鋼端殼面板進(jìn)行二次定位安裝。

2.3.1 測(cè)量定位

測(cè)量定位是保證面板與設(shè)計(jì)位置楔合并滿足平整度要求的關(guān)鍵，應(yīng)多次測(cè)量、及時(shí)復(fù)核，具體采取以下保證措施:沿鋼端殼內(nèi)外翼板在角點(diǎn)及拐點(diǎn)處布設(shè)焊接φ20 mm圓鋼，利用原矩形控制網(wǎng)，將平行于鋼端殼面板平面的斷面投放在該鋼筋上面，用不同方法再對(duì)投點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核檢驗(yàn)，確認(rèn)無誤并滿足精度后，將點(diǎn)刻劃至圓鋼上面;用0.5mm鋼絲將投放在鋼筋上的斷面點(diǎn)連接，形成面板檢驗(yàn)定位的基準(zhǔn)線，在使用基準(zhǔn)線測(cè)量時(shí)應(yīng)再次復(fù)核。

2.3.2 面板定位

1)焊接定位塊。定位塊采用M14螺栓六角螺母，利用測(cè)量基準(zhǔn)線量出點(diǎn)位(量取數(shù)據(jù)等于基準(zhǔn)線至設(shè)計(jì)面板距離加上面板厚度16 mm)，用1角對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)位，然后將其焊接牢固，定位塊按照40～50 cm的間距沿上下翼板均勻分布。

2)面板吊裝定位。面板鋼板平整度檢驗(yàn)合格后，開始進(jìn)行面板吊裝定位，用吊車配合人工將面板逐塊放入鋼端殼腔體內(nèi)，使其緊靠定位塊，并將其點(diǎn)焊到上下翼板上面，達(dá)到初步定位。初步定位后根據(jù)鋼絲基準(zhǔn)面，對(duì)面板初步定位精度進(jìn)行檢查，檢查無誤后將面板沿基準(zhǔn)線每隔20 cm點(diǎn)焊。點(diǎn)焊后由測(cè)量組對(duì)面板位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，對(duì)不滿足要求的及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，面板到位后再進(jìn)行一次精確測(cè)量復(fù)核，檢測(cè)合格后再正式對(duì)面板進(jìn)行焊接。焊接過程中由測(cè)量人員適時(shí)抽檢面板精度，面板精度應(yīng)控制在每延米≤1 mm，整體平整度≤3 mm。

2.3.3 面板焊接

面板焊接是鋼端殼安裝最重要的環(huán)節(jié)，焊接時(shí)變形量及焊縫質(zhì)量的控制決定著鋼端殼工藝的成敗。在生—大沉管隧道中，成功總結(jié)出了如下保證措施:

1)為了避免焊接熱量造成校調(diào)后的翼板再變形，應(yīng)分段跳焊，每焊接20～30 cm，跳過1 m，待溫度降落后再接焊，依次循環(huán)焊接，跳焊時(shí)注意焊縫應(yīng)搭接好，接頭處焊縫應(yīng)進(jìn)行重疊焊接。

2)焊接面板時(shí)采用增加加勁板的方式控制焊接引起的翼板變形疊加，在面板接頭處加設(shè)30 mm厚加勁板，讓兩接頭搭接在其上以減小接縫焊接變形。

3)焊接時(shí)應(yīng)盡可能保證面板與上下翼板密貼，不能調(diào)整密貼的應(yīng)在背后加鋼板塞焊，杜絕因面板與翼板存在空隙，焊接時(shí)將翼板拉引變形。

4)焊接時(shí)加強(qiáng)通風(fēng)降溫措施，以保證焊接處的內(nèi)應(yīng)力得到及時(shí)釋放。

5)焊接時(shí)控制好電流，確保電流穩(wěn)定。施焊時(shí)應(yīng)分層進(jìn)行，避免一次焊接過厚引起變形，每層焊縫施焊前須將前一層的焊渣清理干凈，避免夾渣。

6)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊縫時(shí)，應(yīng)做好空氣防護(hù)措施，防止出現(xiàn)氣泡。在焊縫接頭處應(yīng)將焊渣藥皮清除干凈，防止夾渣。

7)面板焊接完成后由具有資質(zhì)的檢測(cè)單位對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波無損探傷，對(duì)焊縫質(zhì)量做出評(píng)定，以及時(shí)返工處理不滿足要求的焊縫。

2.3.4 鋼端殼注漿

鋼端殼空腔注漿工作需在面板姿態(tài)和平整度復(fù)測(cè)并符合設(shè)計(jì)要求，焊縫檢測(cè)合格、驗(yàn)收通過后才可進(jìn)行。采用已報(bào)審的M35砂漿通過預(yù)留注漿孔對(duì)空腔進(jìn)行注漿填充。填充壓力控制在0.25 MPa左右，防止因壓力過大使面板擠壓凸起。空腔內(nèi)砂漿必須填充密實(shí)，注漿完畢待砂漿終凝后，通過敲擊檢查注漿密實(shí)情況，如不密實(shí)，及時(shí)將空腔內(nèi)殘留泌水用吸管引出，進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，直至注滿為止。注漿完成后，及時(shí)將注漿孔及排氣孔用鋼筋封焊，并將焊疤打磨平整，應(yīng)保證封焊質(zhì)量以確保密水。

2.4 效果檢查

鋼端殼焊接安裝后，為確保數(shù)據(jù)接近真實(shí)值，確保任意點(diǎn)平整度滿足精度，測(cè)點(diǎn)間距≤250 mm，對(duì)鋼端殼245個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量檢查，數(shù)據(jù)顯示面板平整度≤3mm，每延米平整度＜1 mm，翼板每延米平整度＜1 mm。在管段拉合后鋼端殼對(duì)接良好，無滲漏，止水帶壓縮密貼良好。安裝后誤差統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 安裝后誤差統(tǒng)計(jì)表Table 1 Installation errors mm

3 結(jié)論與討論

鋼端殼安裝精度控制需要充分了解鋼板柔性與剛性的特性，并根據(jù)其特性加以有機(jī)組合，姿態(tài)調(diào)整根據(jù)其柔性特性選擇方法，姿態(tài)定型控制根據(jù)其剛性特性選擇方法。另外，必須保證足夠的測(cè)量監(jiān)控頻次，有足夠多的監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，才能采集到最接近鋼端殼面板與翼板真實(shí)姿態(tài)的數(shù)據(jù)，保證鋼端殼翼板與面板平面上的任意一點(diǎn)都能夠滿足設(shè)計(jì)精度。

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