淺談沉管暗埋段鋼端殼安裝工藝

郭昊陽

（中交海洋建設開發有限公司，天津 3004516）

某人工島島上段隧道設置止推段，鋼端殼安裝在止推段端頭，與管段混凝土聯為一體，主要作用是連接管段接頭時，用來安裝GINA止水帶及Ω型止水帶，供管節沉放對接止水用。在兩管節的對接過程中，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，以達到兩管節緊密結合，使接頭完全水密，以及為適應各管節沉放后的坡度變化，對鋼端殼的平整度、傾斜度等安裝精度要求非常高。而鋼端殼吊運安裝焊接時，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。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。

根據現場實際情況，為了保證鋼端殼平面不平度±5mm，每延米不平度±1mm的要求，在鋼端殼的外側制作一個整體的鋼結構支架，該鋼結構支架有兩個作用；一是安裝鋼端殼工字鋼時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時，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度達到80%后進行分塊拼裝，整體側量滿足誤差要求后，采用CO2氣體保護焊進行焊接，小電流多層焊，減小局部焊接變形。

1 輔助鋼支架設計

鋼支架采用型鋼組成的桁架結構。整個桁架結構由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，只考慮混凝土澆注時產生的側向載荷。

根據實際要求，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β1=1.1，混凝土坍落度影響修整系數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，采用內部振搗器，振搗荷載4kN/m2，外加劑影響系數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）傾倒砼時產生的水平荷載Q=4kN/m2。

（2）計算強度時荷載設計值：F×1.2+Q×1.4=25.427kN/m2。

中間支撐采用橫梁單元進行分析。

受力分析時固定支架下部的個榫節點，在上部各榫節點之間施加局部均布載荷。對需要特別關注的截面進行局部網格控制。

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

圖1 中間支撐載荷FEA應力云圖

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，只考慮混凝土澆注時產生的側向載荷。

根據實際要求，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β1=1.1，混凝土坍落度影響修整系數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，采用內部振搗器，振搗荷載4kN/m2，外加劑影響系數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）傾倒砼時產生的水平荷載Q=4kN/m2

（2）計算強度時荷載設計值：F×1.2+Q×1.4=132.33kN/m2

計算剛度時荷載設計值：105.67kN/m2。

端部支撐受力分析時采用實體單元進行分析。受力分析時固定支架下部的個榫節點，在端部支撐施加局部均布載荷。對需要特別關注的截面進行局部網格控制。

經分析后得出應力云圖和位移云圖，見圖3～5。

圖3 端部支架載荷FEA應力云圖

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 重要節點應力值圖

2 施工流程（如圖6）

圖6 現場施工流程

3 施工方法

3.1 端鋼殼安裝

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

（1）鋼支架的安裝。根據基坑邊墻上標注的高度線和斜度線，進行支架立柱的定位，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置強托板和定位板等粗細定位，定位板得設置利用全站儀進行定位和復核。

（2）鋼端殼H型鋼的安裝。先將兩側的鋼端殼根據傾斜度進行固定，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備必要的定位工具固定整個鋼端殼。整體拼裝結束后對成型構件進行尺寸復核（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探傷檢驗和尺寸檢驗（外形尺寸、平整度和傾斜度）。整體拼裝焊接完成后，將模板和支架間設置若干臨時支撐進行局部補強，防止澆筑混凝工時由于側壓力和膨脹等因素二導致鋼端殼變形。

（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，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，并隨時檢檢與安裝線的對應,每延米間用鋼靠尺檢查平整度。焊接采用CO2氣體保護焊進行焊接，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,確認施工方式能達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。鋼端殼的安裝整個過程采用激光全站儀控制，在施工過程的過程中假定一個垂線面，然后計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行安裝。在鋼端殼安裝的過程中存在著許多不可預測的因素，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控制點保證通視。在基坑底上布設三個點（兩邊點和中心點），在基坑冠梁頂上布設三個點（兩邊點和中心點）。

（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，難免會出現一些人為的誤差。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 結語

本文結合南方某島隧工程施工實例，在施工前期采用Solidworks中的Simulation模塊對輔助支架進行了設計和受力變形分析，完工后鋼端殼空間姿態數據進行了對比，數據偏差較小，證明該方法可有效地解決鋼結構變形不可控問題，為以后解決類似高精度鋼結構或鋼模板工程提供參考。