港珠澳大橋拱北隧道曲線管幕管節(jié)現(xiàn)場制作技術(shù)

劉應(yīng)亮

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 工程概況

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定區(qū)域，工程環(huán)境復(fù)雜，采用“曲線管幕+凍結(jié)法”施工，曲線頂管是本工程核心技術(shù)，管節(jié)現(xiàn)場制作技術(shù)是其重要環(huán)節(jié)之一。

管幕由 36根φ1 620 mm鋼管組成，平均長度257.927 m/根，管間距35.5～35.8 cm，位于曲率半徑885.852～906.298 m的緩和曲線和圓曲線上。管節(jié)設(shè)計(jì)長4 m，Q235BZ型鋼板制作，承插口F形接頭連接，其中壁厚24 mm的鋼管19根(下半斷面)，壁厚20 mm的鋼管17根(上半斷面)［1-3］。管節(jié)結(jié)構(gòu)詳見圖1、圖2。

圖1 管節(jié)結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

2 工藝流程

管節(jié)制作工藝流程見圖3。

3 制作技術(shù)

3.1 下料

管身板材下料采用火焰切割，尺寸寬度為2.0 m，長度為管身中直徑計(jì)算圓周長［4］，根據(jù)管身下料面積選擇合適的定尺鋼板，提高板材利用率。20 mm、24 mm厚板材火焰切割余量和焊接收縮余量一般為1～1.5 mm，對(duì)管節(jié)加工精度影響很小，可忽略。板材需進(jìn)行埋弧焊接的三邊，采用小車式火焰切割機(jī)切割30°坡口，待卷制成筒后形成60°V形坡口。

圖2 承插口F形接頭結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

圖3 管節(jié)制作工藝流程

法蘭、肋板等零部件利用數(shù)控切割機(jī)床下料切割。首先將繪制完成的CAD法蘭、肋板等下料圖直接轉(zhuǎn)換為dwt格式圖樣，然后數(shù)控軟件將幾種零部件大樣圖自動(dòng)排版為最合理的組合形式，并編排切割順序。最后把編制完成文件輸入設(shè)備電腦，電腦全自動(dòng)控制切割路徑和各零部件切割數(shù)量。

火焰切割要控制好氣體質(zhì)量、切割速度和割嘴高度，保證切割質(zhì)量［5-6］。

3.2 管身卷制

3.2.1 板端預(yù)彎

卷制時(shí)，鋼板兩端須板端預(yù)彎，防止管身對(duì)接時(shí)因鋼板兩端未輥卷而形成直線段。先將鋼板平放在卷管機(jī)的上下輥之間，鋼板邊緣須超過上下軸輥垂直中心線位置。然后上輥下移至管身半徑處，讓鋼板端部一面彎曲，一面向前移動(dòng)一段距離，使板端得到預(yù)彎，同理使鋼板的另一端得到預(yù)彎。

(1)預(yù)彎長度應(yīng)大于三輥卷管機(jī)兩個(gè)下輥中心距尺寸的1/2，約300 mm。在預(yù)彎長度內(nèi)，預(yù)彎圓弧與檢查樣板間隙h≤1 mm，樣板半徑宜比管半徑小0.5～1 mm。

(2)預(yù)彎段應(yīng)隨時(shí)用樣板檢查預(yù)彎半徑，局部凸起或凹陷的地方，可用鋼板條作為襯墊來校正。

3.2.2 卷制

管身卷制使用三輥卷管機(jī)采用漸進(jìn)遞送法，經(jīng)多次往返輥壓成型［7］。

(1)在每次調(diào)整上輥下移后，卷彎時(shí)都要采用樣板檢查半徑的大小，預(yù)防彎曲過量，直至筒節(jié)彎曲半徑完全吻合為止。

(2)在卷制過程中，鋼板兩側(cè)與軸輥中心線垂直，經(jīng)常進(jìn)行檢查預(yù)防跑偏造成端面錯(cuò)邊。

(3)管身卷制成形后，用倒鏈及專用工裝夾具將縱縫對(duì)接平直、兩端面對(duì)齊，間隙小于5 mm。

(4)將卷制完成的管身點(diǎn)焊加固，卸下輥床后進(jìn)行橢圓度檢查。

3.3 焊接

管身縱、環(huán)縫采用全熔透性埋弧焊焊接，焊縫采用V形坡口，坡口60°，使用 CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底［8-9］，管身縱縫兩端配置引弧板和引出板，其材質(zhì)和坡口形式與管身相同。引弧板和引出板長度大于150 mm，寬度不小于80 mm;先焊坡口里側(cè)，再焊外側(cè);焊縫引出長度需大于80 mm。焊接完畢后，必須用火焰切除焊件上的引弧板、引出板，并打磨平整，嚴(yán)禁用錘擊落。

兩段管身對(duì)接的縱縫錯(cuò)開90°并用倒鏈拉緊［10］，對(duì)接間隙不大于5 mm;兩段管身之間的錯(cuò)臺(tái)不大于2 mm，錯(cuò)臺(tái)大的位置采用千斤頂和鋼管撐將管端撐平，并及時(shí)點(diǎn)焊固定。環(huán)縫引弧段打底較厚，一般要將坡口焊滿，收弧段搭接長度不小于80 mm。

F形接頭、法蘭、肋板等零部件均采用CO2氣體保護(hù)焊焊接，焊接前用鐵皮將焊縫兩側(cè)進(jìn)行覆蓋，以防止飛濺物落在母材上，焊接時(shí)合理調(diào)整焊機(jī)電流和運(yùn)絲速度，保證焊縫飽滿、平順，有焊接缺陷時(shí)及時(shí)整改。

3.4 橢圓度控制

縱縫埋弧焊完成后，管身進(jìn)行橢圓度檢查，橢圓度不滿足要求的必須進(jìn)行二次校圓。分加載、輥圓、卸載3個(gè)步驟，使工件在逐漸減少矯正荷載下進(jìn)行多次輥卷。

管身的校圓樣板弧長為管身周長的1/3;樣板與管內(nèi)壁間隙應(yīng)符合下列規(guī)定:(1)對(duì)接縱縫不得大于壁厚的10%加2 mm，且不得大于3 mm;(2)管端200 mm內(nèi)的對(duì)接縱縫處不得大于2 mm;(3)其他部位不得大于1 mm。

管身卷制時(shí)板材要與卷管機(jī)對(duì)正，保證板材邊線須與軸輥中心線平行，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象;預(yù)彎不得過大或過小，否則會(huì)使管身組對(duì)后接頭處錯(cuò)邊量過大;卷制過程中上輥下降位移由大變小，防止過彎。管身校圓作業(yè)見圖4。

圖4 管身校圓

3.5 F形接頭制作

F形承口先由鋼板卷成外徑為1620 mm，寬170 mm的管件，然后在鋼板制水平臺(tái)上采用螺旋千斤頂調(diào)整管件與承口法蘭相對(duì)位置進(jìn)行校圓，承口橢圓度小于4 mm后使用CO2氣體保護(hù)焊焊接牢固。

F形插口先按設(shè)計(jì)尺寸卷成圓筒狀管件，然后同承口加工方法把管件、法蘭、肋板采用CO2氣體保護(hù)焊焊接拼裝成插口毛坯件，最后整體上銑車床加工割槽成F形插口。其制作工藝見圖5。

圖5 F形插口制作工藝

3.6 管節(jié)連接

管節(jié)承插口以F形接頭限位螺栓形成鉸接，以接頭槽內(nèi)安裝鷹嘴橡膠圈實(shí)現(xiàn)管節(jié)間止水，頂管完成后擰緊接頭螺栓形成剛性連接。

管節(jié)承口與插口單邊間隙只有5 mm，承口端需要加工45°坡口，才能將插口鷹嘴橡膠圈經(jīng)擠壓后安裝進(jìn)承口槽內(nèi)。

管節(jié)承插口法蘭之間設(shè)置木質(zhì)墊塊(厚度20 mm，松木或其他材質(zhì)的復(fù)合板均可)，采用扎絲綁扎固定在管節(jié)上。墊木的作用是在曲線內(nèi)外側(cè)頂力作用下可彈性變形，使頂進(jìn)過程中的承插口能較好接合。

4 管節(jié)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

管節(jié)Q235BZ板材質(zhì)量符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 700—2006)的要求;管節(jié)焊接質(zhì)量符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205—2001)熔透性焊縫要滿足焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，非熔透性焊縫要達(dá)到焊縫質(zhì)量外觀等級(jí)為二級(jí)驗(yàn)收要求。

管節(jié)結(jié)構(gòu)加工制作尺寸檢查標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 管節(jié)拼裝幾何尺寸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語

目前已經(jīng)加工制作管節(jié)數(shù)量過半，成品合格率達(dá)到100%。管幕已經(jīng)順利頂進(jìn)6根，使用管節(jié)360余個(gè)，實(shí)踐證明管節(jié)制作精度、剛度和穩(wěn)定性、防水密封性能等均達(dá)到預(yù)期效果，管節(jié)現(xiàn)場工廠化制作技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量是可靠的。

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