港珠澳大橋島隧工程鋼圓筒制造技術

李森，余良輝，周力偉

（上海振華重工（集團）股份有限公司 長興分公司，上海 201913）

港珠澳大橋是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道，海上人工島又被稱為整個大橋技術難度大、工期緊的主體工程。由于這里是中華白海豚棲息地和珠江口海、空運交通樞紐，承建方選擇了大型鋼圓筒植入海底造島的設計方案，東西人工島共采用120個直徑φ22m、高約40.5～50.5m不等、單筒達500多t的超大型鋼圓筒作為島壁結構，如此大的鋼圓筒其制造和運輸是項目的關鍵難點。鋼圓筒傳統制作方法有氣囊頂升法和單塊鋼板逐層拼接法，這兩種方法鋼板均需經過卷圓才可進行拼裝，并且是外場作業，受天氣影響比較大，高空作業量大，安全風險高。按照施工計劃節點，只有不到1 a的制造周期，因此，必須對鋼圓筒制作工藝進行研究。

1 總體工藝方案

港珠澳大橋島隧工程鋼圓筒直徑大，高度高，體積龐大，但徑向剛度差，尤其是下部結構為了振沉順利沒有設置橫向筋板，另外，鋼圓筒月供量特別大，要求每月供貨量達9000 t左右。根據鋼圓筒結構特點和生產場地情況，采用垂直分塊法將單根鋼圓筒總體分成上、下兩段制造，下段筒體（以下簡稱下段）采用固定長度，即20.9m，上段筒體（以下簡稱上段）長度隨鋼圓筒總體長度的變化而變化，其長度等于總長減去20.9m；每段筒體采用豎向等分成6塊板單元，每塊寬約11.5m，如圖1所示。

圖1 垂直分塊法分塊示意

板單元全部安排在結構車間內部制作，采用成型胎架成型，制造時，除頂端25mm厚的外板需卷制，其余外板均不卷制，在水平胎架上安裝豎向T肋后吊到弧形胎架上，依靠自身重力使之與弧型胎架貼合，局部未貼合的區域采用配重塊施加外力使之與弧型胎架貼合，成型后安裝環形橫向筋板或工藝筋板加強。

采用液壓平板車加龍門胎架將板單元轉運到外場堆放，龍門胎架與板單元之間采用斜鍥墊實以防止板片轉運過程中變形。在外場搭制總拼胎架，采用門機雙鉤翻身吊裝板單元合攏成上、下段筒體，最后采用500 t門機整體吊裝上段筒體和總拼胎架完成與下段筒體的對接；上段寬榫槽在上段筒體成型后安裝，下段寬榫槽在上、下段筒體合攏后進行安裝；鋼圓筒總體制作工藝流程如圖2所示。鋼圓筒整體制作完成后，采用兩臺門機配合專用吊架抬吊轉運到碼頭前沿，再采用浮吊配合專用吊架吊裝上船。

圖2 鋼圓筒總體制作流程圖

2 工藝難點及對策措施分析

2.1 工期緊、月供量大

由于該項目共有120個鋼圓筒，制造周期僅7個月，月均需供17個鋼圓筒，重約9000 t，工期緊，月供量大，因此工藝方案中應盡可能采用簡單高效的工藝方法。

1）采用垂直分塊法，避免傳統橫向劃分法帶來眾多橫焊，使之每段僅6道立焊，大大提高圓筒體合攏效率。

2）板單元全部放在車間內制造，避免不良氣候對制造進度和質量的影響。

3）上段外板（除頂部25mm厚板外）均不卷制，直接依據圓弧形胎架成型，成型后安裝環形橫向筋板或工藝筋板，對其弧度進行保持。

4）大量采用埋弧自動焊、CO2自動角焊、埋弧自動橫焊、垂直氣電焊等自動焊接方法[1]，95%以上的焊縫均實現自動焊接，提高焊接效率與質量。

5）考慮到鋼圓筒制作的關鍵瓶頸是外場拼裝合攏，針對拼裝場地只有1臺500 t門機和1臺450 t門機，通過門機移位和租賃履帶吊等方式增加外場拼裝用吊裝設備，用于板單元的翻身吊裝，加快圓筒體的拼裝合攏進度。

2.2 制造、轉運過程結構變形的控制難度大

由于板單元制作過程中外板不卷圓，外板在水平胎架上拼接并裝焊T排后，再上圓弧胎架成形，因此如何保持圓弧度直接關系到筒體的合攏成形。此外，鋼圓筒合攏后，由于直徑大，板厚薄，徑向剛度差，吊裝轉運過程中吊裝鋼絲繩的水平分力易造成鋼圓筒變形。因此，決定采取以下措施：板單元制造時，兩端及中間適當增加環形工藝加強隔板，使之易于保持圓弧度；板單元轉運時，采用專用龍門擱架，龍門擱架與板單元兩側墊斜鍥，從而減少運輸過程中板單元弧度的變形；外場筒體轉運和裝船時，設計專用矩形吊架，使鋼圓筒上吊點僅受垂直力，從而避免鋼絲繩橫向力造成鋼圓筒的變形。通過以上措施，減少和控制鋼圓筒及板單元在制造、轉運過程中的變形。

2.3 鋼圓筒體積大，高度高，總裝難度大

港珠澳大橋鋼圓筒高度在40.5～50.5m之間，高度高，高空作業難度大，安全風險高。為降低作業高度和施工難度，工藝中將鋼圓筒分成上、下兩段，使每段筒體施工作業高度只有原筒體高度的一半。在鋼圓筒合攏時，設計專用六邊形內模胎架，在高度方向上設置上、中、下3層調整平臺，每層調整平臺上設置滑移梁，可以調整鋼圓筒圓度；胎架底部設置圓弧角鋼和導向板，方便板單元的快速就位；胎架上設置兩層圓弧平臺，板單元對接處設置縱向對接平臺和直梯，方便板單元的對接合攏和裝配施工，提高作業安全性。

3 鋼圓筒制作工藝

3.1 板單元制作及運輸

鋼圓筒使用鋼板均采用定尺板采購，除在一端鋼板上留修割余量，其余接頭均采用無余量拼接，提高了鋼板利用率。采用埋弧自動焊對拼縫進行焊接，拼板結束后，對鋼板平整度進行校正；然后劃出板單元中心線以及周圈余量修割線，確保板單元高度公差和對角線公差，合格后對余量進行修割。以板單元中心線為基準，劃出T肋安裝位置線，安裝T肋，注意保證T肋的直線度，與板單元之間點焊固定，各項尺寸檢測合格后，使用CO2自動焊接小車對T肋角焊縫對稱焊接，T肋安裝焊接后，對焊后各項尺寸檢查合格，然后將板單元吊至圓弧形胎架上，依靠板單元的重力或使用配重外力使之與弧形胎架貼緊，如圖3所示；再安裝環形橫向筋板或工藝筋板及25mm厚的筒壁板，對接25mm筒壁板時需增加卡碼，用以控制焊接變形。焊接時使用CO2氣體保護焊，焊后對板單元外形尺寸進行檢測，保證高度尺寸公差和寬度尺寸公差在規定范圍內。每片板單元在上下兩端各對稱安裝2只吊裝吊耳，吊裝吊耳采用工藝螺栓與T肋聯接，筒體合攏后再拆下來重復利用。板單元的運輸采用液壓平板車配合龍門擱架運輸，并在龍門擱架與板單元之間采用斜楔塊墊實，以防止運輸時板單元變形。

圖3 板單元在成型胎架上成型

3.2 鋼圓筒外場拼裝焊接

考慮到筒體的重量，選在外場450 t、500 t門機覆蓋區域進行筒體拼裝，為了方便筒體拼裝設計了專用總拼胎架。總拼胎架總體呈正六邊形，由鋼管組拼而成，每邊上配有4根支撐管，調整筒體拼裝胎架的水平，總拼胎架中心線距門機軌道中心32m。采用液壓平板車將板單元運輸至拼裝場地，利用門機主鉤和小鉤對板單元進行空中翻身，將豎立的板單元吊至圓筒胎架上，下口通過導向板進行板單元定位，然后調整板單元的垂直度，調整到位后鎖住上口的支撐管，且頭部連接板與筒壁焊接牢固，如圖4所示。將第二塊板單元按照上述方法吊裝到位，利用板單元上下口調節工裝，調整第一塊板單元與第二塊板單元之間的間隙（調整板單元中心線至板單元中心線之間弧長）。按相同的方法依次將板單元拼裝到位，拼裝成整體后再次確認各個對接縫的間隙，檢查筒體上端口的平面度、端口周長偏差、直徑偏差和垂直度，合格后在筒體內壁拼縫位置焊接卡碼固定，并貼好垂直氣電焊焊襯墊，采用垂直氣電焊焊接。上、下段筒體單獨制作成型后，以筒體下口為基準，在下段筒體上口和上段筒體下口劃出水平基準線，以便上、下筒體對接時確保筒體上口的水平。

圖4 鋼圓筒外場拼裝

3.3 鋼圓筒上、下段對接合攏焊接

筒體上、下分段制作完畢后，對其直徑、周長、垂直度、筒體上口水平度進行檢驗，合格后進行筒體上下段對接合攏。合攏時下筒體位置不變，將上筒體吊至下筒體上進行對接合攏定位。筒體上下段對接合攏采用一臺門機和方形吊架進行上段筒體的吊裝作業。上段吊至下段筒體上方后，依靠筒壁上導向板進行初步定位，并依靠T型肋上擋塊來確定上、下筒體之間相對轉角，依靠碼板及千斤頂來調節錯邊量，筒體對接尺寸合格后，調整測量上、下筒體水平基準線之間的距離（圓周方向均勻測量4個點），確保上、下筒體對接后筒體整體的垂直度。全部檢測合格后進行定位施焊，焊接要求及焊接參數按照監理認可的焊接工藝規程執行。焊接時，采用埋弧自動橫焊機施焊對接環焊縫，注意不得從一個方向連續完成整條焊縫的焊接，應使用2臺埋弧焊機分段對稱跳焊，以減少焊接應力和焊接變形。

3.4 寬榫槽制作、安裝

根據原設計圖紙，寬榫槽不易制作成整體組件進行組裝。通過與設計溝通，在上段筒體寬榫槽內側嵌入一塊連接板，將上段筒體寬榫槽、加強三角板、膠皮制作成組件，并在地面將膠皮翻到位。這一方案極大減少了高空焊接、裝膠皮、翻膠皮等工作量，提高了工作效率。上段筒體焊接完成后，根據筒體上的0°線劃出上段筒體寬榫槽安裝位置線，將制作成組件的寬榫槽組裝到位，檢測寬榫槽的垂直度，合格后，焊接寬榫槽以及加強板與筒體之間的焊縫。上、下筒體合攏后，使用激光經緯儀或吊垂線的方法，將寬榫槽位置線從上段筒體寬榫槽裝配線引至下段筒壁上，然后進行寬榫槽結構安裝定位，焊接方法與上段筒體寬榫槽相同。

3.5 鋼圓筒轉運、裝船

鋼圓筒各項尺寸報監理檢查合格后，利用兩臺門機抬運至發運碼頭。為防止筒體產生較大變形，制作了專用吊架，吊架下側吊點對角線尺寸與鋼圓筒上吊點開檔相同，使筒壁在吊裝過程中僅受垂直力，不受水平力[2]。由于筒體較高，考慮到吊裝時安裝、拆除卸扣問題，在吊架上制作安裝了工藝平臺，以滿足吊裝需要，同時確保放工人員的作業安全。

鋼圓筒裝船采用1600 t浮吊單鉤吊裝，同樣制作了裝船用專用吊架，起重人員可在起鉤前站于吊架工藝平臺上裝、拆卸扣。此方案即解決了筒體吊裝變形問題，同時又提高了吊裝作業的安全性，提高了吊裝效率。

4 結語

通過對港珠澳大橋島隧工程鋼圓筒項目的工藝難點及對策分析研究，結合上海振華重工長興分公司的場地、設備、人員特點，通過優化鋼圓筒制作工藝流程，大膽進行工藝創新，形成了車間板單元制作和外場拼裝合攏的專業化生產，并通過在制作中采用T排大直徑CO2焊絲自動角焊、垂直氣電焊立焊、環縫埋弧自動橫焊等高效焊接技術，提高了生產效率，縮短了制作周期；同時設計了專用的移位吊架和裝船用吊架以減小吊裝變形，保證了產品質量。為港珠澳大橋島隧工程的施工進度提供了有力保障。

[1] ANSI/AWSD1.1M：2008，美國鋼結構焊接規范[S].

[2] 蔡裕民.吊裝工藝計算近似公式應用[M].北京：化學工業出版社，2004.