沉管隧道管節(jié)端鋼殼的設(shè)計(jì)與建造研究

摘" " 要：本文介紹沉管隧道管節(jié)端鋼殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了端鋼殼設(shè)計(jì)與建造精度控制的方法。分析分段劃分、組件劃分、預(yù)埋件分布、合攏方案、焊縫布設(shè)、探傷要求等對(duì)端鋼殼制作質(zhì)量的影響，研究對(duì)應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：止水設(shè)計(jì)；變形控制；精度控制

中圖分類號(hào)：U452.2" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Design and Construction of Steel Shell at the"End of Immersed Tube Tunnel

LI Shuang1，" PAN Junfa 1，" ZHENG Zhihua 1，" XIA Fengyong 2，" TIAN Lihua 1

（ 1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" Guangzhou 511462;" 2. Shenzhong Channel Management Center，" Zhongshan 528400 ）

Abstract： This paper introduces the structural characteristics of the end steel shell of immersed tube tunnel， and expounds the design and construction control method of the end steel shell precision control. This paper analyzes and summarizes the influences of segment division， component division， embedded parts distribution， closure scheme， weld layout and flaw detection requirements on the manufacturing quality of end steel shell， and studies the corresponding solutions.

Key words： water stop design;" deformation control;" precision control

1" " 前言

沉管隧道管節(jié)端鋼殼作為管節(jié)柔性接頭的關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)置在沉管管節(jié)的兩端，是為安裝GINA和OMEGA止水帶而設(shè)置的鋼構(gòu)件，是重要的管節(jié)永久性構(gòu)件。沉管端鋼殼設(shè)計(jì)與建造方案，對(duì)精度控制起到?jīng)Q定性作用，端鋼殼的精度和質(zhì)量決定了隧道沉管的防水密性。

2" " "端鋼殼概況

深中通道沉管隧道管節(jié)鋼殼全長(zhǎng)5 035 m，由32個(gè)預(yù)制管節(jié)組合而成（見圖1），其管節(jié)制作工序如下：鋼結(jié)構(gòu)組件→分段制作→預(yù)舾裝→總拼成管節(jié)→管節(jié)沉放與合攏。各管節(jié)間利用端鋼殼接頭連接，兩個(gè)接頭的貼合情況對(duì)止水帶水密產(chǎn)生極大影響，因此端殼板的安裝精度是管節(jié)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)GINA止水帶尺寸及沉管的縱、橫斷面布置，端鋼殼尺寸約為690 mmx580 mm，主要由端部面板 （GINA止水帶面板）、翼緣板（OMEGA止水帶面板）、加勁板（隔板）及連接焊釘組成（見圖2）。整個(gè)端鋼殼斷面寬度46.0 m、高度10.6 m，為提高管節(jié)預(yù)制施工工效，設(shè)計(jì)采用一次性整澆端鋼殼，呈環(huán)形布置。除東、西人工島暗埋段采用特殊構(gòu)造的端鋼殼外，其余普通管節(jié)兩端頭分別安裝A型與B型端鋼殼，管節(jié)接頭設(shè)置GINA止水帶和OMEGA止水帶，如圖3所示。

GINA止水帶采用卡箍固定方式，通過壓塊、壓板和螺釘固定在A型端鋼殼端面板上，通過B型端鋼殼端面板壓縮止水帶鼻尖，起到防水作用。

OMEGA止水帶采用杠桿式固定方式，止水帶的兩邊通過杠桿式壓板分別固定在A、B端鋼殼翼緣板邊，起到第二層防水作用。

3" " 管節(jié)端鋼殼設(shè)計(jì)與制作

為使管節(jié)端鋼殼精度達(dá)到要求，下面對(duì)端鋼殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、制作要求及精度控制方法進(jìn)行介紹：

3.1" "端鋼殼板件劃分原則

1）Ω止水帶翼緣板對(duì)接縫必須在止水帶壓板的接縫處，保證每塊壓板均不跨翼緣板接縫，保證每塊壓板內(nèi)螺栓孔間距不受對(duì)接縫影響，對(duì)接縫的影響通過壓板間的間隙消除；

2）跨塊體合攏縫壓塊范圍內(nèi)的翼緣板單獨(dú)劃分為一塊嵌補(bǔ)板，在小節(jié)段合攏焊后再安裝，保證跨合攏縫的壓板范圍內(nèi)螺孔間距不受合攏縫影響；

3）壓板間的間隙5 mm，要求翼緣板對(duì)接縫坡口間隙設(shè)為4 mm，即單邊扣減2 mm；

4）塊體內(nèi)部的端面板的對(duì)接縫盡量選擇在壓塊對(duì)接處，以減少壓塊在后續(xù)的緩裝。

端鋼殼劃分示意圖，如圖4所示。

3.2" 翼緣板轉(zhuǎn)圓位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

端鋼殼翼緣板轉(zhuǎn)角位置，需鉆孔安裝套筒用于固定止水帶：當(dāng)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為折角時(shí)，開孔圓心與折角點(diǎn)重合（見圖5-A），會(huì)影響套筒的安裝及鉆孔的精度；同時(shí)也會(huì)造成OMEGA止水帶無法與翼緣板緊密貼合，導(dǎo)致端鋼殼無法達(dá)到水密要求。

為避免上述問題，將折角設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)圓弧R100的形式，該部位的OMEGA止水帶也設(shè)計(jì)為R100倒圓角形式（見圖5-B）與其緊密貼合。這樣既解決了套筒鉆孔精度控制問題，又確保了止水帶的水密性。

此轉(zhuǎn)圓弧板在下料階段，需控制好長(zhǎng)度及加工的準(zhǔn)確性，在板單元階段僅鉆中間部分孔，兩端圓孔在塊體階段翼緣板裝焊后再鉆孔，以消除焊縫對(duì)孔定位精度的影響；翼緣板上鉆孔要求精度較高，鉆孔圓心定位偏差≤0.5 mm，直徑偏差0～+1 mm。

3.3" "頂板與端鋼殼面板焊接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

端鋼殼面板與頂板通過鋼制襯墊角焊連接，利用一道焊縫使三個(gè)結(jié)構(gòu)焊接在一起（見圖6-A），此焊接方法產(chǎn)生的熱量及集中應(yīng)力，極易造成頂板及端鋼殼面板變形，導(dǎo)致端鋼殼精度超差，無法滿足強(qiáng)度要求。

為解決上述問題，在設(shè)計(jì)階段將此位置焊接節(jié)點(diǎn)改為管節(jié)頂板（即外面板）伸出，端鋼殼面板與其呈T型角接形式（見圖6-B）能更好的控制外面板的焊接變形。因端鋼殼面板為單面焊，為保證其強(qiáng)度及精度，將端面板改為深熔焊坡口，焊后需對(duì)焊縫進(jìn)行100%MT探傷，確保其水密性。

3.4" "端鋼殼加強(qiáng)隔板工藝孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

端鋼殼在成型后需要進(jìn)行混凝土澆筑，為避免混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象，影響混凝土澆筑質(zhì)量，從而影響管節(jié)端鋼殼的精度控制，要求混凝土自由下落高度不能超過2 m；因側(cè)墻端鋼殼只能從管頂澆筑孔進(jìn)行澆筑，管頂距管底高度為10 m，需將直徑58 mm的澆筑管深入到管底進(jìn)行澆筑，因端鋼殼內(nèi)設(shè)有加強(qiáng)隔板，為滿足通視及澆筑需求，在原隔板上開設(shè)尺寸為220 mmx70 mm的工藝孔。由于未考慮端鋼殼與水平基面呈傾斜狀態(tài)，導(dǎo)致加強(qiáng)隔板上開孔中心不在同一直線上，無法將澆筑管深入到管底進(jìn)行混凝土澆筑。

為解決上述問題，將側(cè)墻端鋼殼內(nèi)加強(qiáng)隔板開孔擴(kuò)大為310 mmx150 mm，開孔中心位置根據(jù)工藝孔豎直通需求可在不大于100 mm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，以滿足澆筑及通視要求，如見圖7所示。

3.5" "剪力鍵優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力鍵是一種安裝在接頭之間傳遞剪力的裝置，其主要作用是承受鋼梁和混凝土翼緣板界面上的縱向剪力，抵抗兩者之間的相對(duì)滑移，使前后兩管節(jié)間剪力鍵順利連接。

因剪力鍵預(yù)埋底座板嵌入在端封板中，其寬度為805 mm（見圖8-A），與翼緣板安裝位置接近，容易造成端封板焊接變形，從而影響端鋼殼的建造精度。

為解決上述問題，構(gòu)件寬度根據(jù)側(cè)墻內(nèi)外面板實(shí)際厚度進(jìn)行微調(diào)，剪力鍵底板寬度由805 mm調(diào)整至920mm（見圖8-B）來滿足焊接要求。根據(jù)剪力鍵制作精度要求，鋼剪力鍵底座板的機(jī)加工平面度公差應(yīng)小于1 mm；剪力鍵底座板制作、安裝過程中，須采取有效措施防止底座板變形，同時(shí)底座板的所有外露表面需采取防腐措施；剪力鍵制作完成后，須與管節(jié)剪力鍵底座板使用螺栓進(jìn)行預(yù)拼裝，拼裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制理論尺寸，檢測(cè)剪力鍵套筒深度，正常拼裝對(duì)接后進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)處理，便于管節(jié)沉放后剪力鍵順利安裝。

3.6" "錨固板優(yōu)化設(shè)計(jì)

錨固板作為前后管節(jié)鎖緊裝置，安裝在端鋼殼翼緣板上，僅在管節(jié)最終接頭及其相鄰管節(jié)間布設(shè)，越接近最終接頭錨固板布設(shè)數(shù)量越多，最終接頭處錨固板數(shù)量為114個(gè)；錨固板由加勁板及端面板組成，其厚度分別為50 mm及40 mm，使其焊接質(zhì)量及強(qiáng)度達(dá)到要求，但又不能因焊接熱量過大引起端鋼殼翼緣板變形，其焊接形式尤為重要。

錨固板加勁板與端面板焊接節(jié)點(diǎn)形式：

1）采用全焊透坡口。焊接時(shí)需反面清根，由于其焊接熱量較大，零件數(shù)量較多，極易造成結(jié)構(gòu)本身及相鄰結(jié)構(gòu)變形，無法保證翼緣板的精度；同時(shí)為避免焊縫缺陷，還需100% UT探傷。因此，此焊接方法無論是從控制變形及工作效率方面考慮，都應(yīng)慎重選擇；

2）采用成深熔焊坡口。零件開雙面坡口，留根1～3 mm（見圖9），不需反面清根，相應(yīng)的焊接熱量沒有全焊透的高，引起的焊接變形較小，翼緣板的精度也得到了有效的控制；焊接后要求所有焊縫100%MT探傷，滿足焊接質(zhì)量要求。

3.7" "翼緣板的安裝精度要求

1） 在塊體主體結(jié)構(gòu)焊縫施工完成后，剪力鍵底座板預(yù)埋結(jié)束后開始安裝翼緣板；

2）塊體在胎基準(zhǔn)線修正后，將翼緣板吊裝至端鋼殼隔板上，將翼緣板鉆孔定位基準(zhǔn)線與塊體基準(zhǔn)線對(duì)位裝配，要求翼緣板定位偏差≤1 mm、寬度偏差≤0～+3 mm，若超差需重新裝配調(diào)整；

3）裝配完成后，對(duì)翼緣板進(jìn)行焊前精度檢查，定位基準(zhǔn)線偏差≤1 mm，平整度≤1 mm/1 m，若超差則火工矯正；

4）滿足定位及平整度要求后，對(duì)翼緣板進(jìn)行焊接，檢查接縫處焊接變形情況，要求焊接變形≤1 mm/0.5 m，若超差及時(shí)矯正；

5）翼緣板對(duì)接縫非結(jié)構(gòu)面（止水帶安裝區(qū)域）的焊縫焊腳余高，需打磨平整；

6）對(duì)小節(jié)段搭載合攏縫處的翼緣板，在塊體階段貼裝在附近的端封板上，管節(jié)搭載合攏施工完成后，再裝焊此處貼裝翼緣板。貼裝示意圖，如圖10所示。

3.8" "翼緣板套筒開孔方法

OMEGA止水帶需在前后管節(jié)對(duì)接時(shí)安裝在翼緣板下方，通過雙頭螺柱連接翼緣板內(nèi)預(yù)埋套筒及止水帶壓板進(jìn)行固定（見圖11）。為保證端鋼殼的制作精度，翼緣板上安裝的預(yù)埋套筒需在管節(jié)預(yù)制階段鉆孔安裝，而OMEGA止水帶壓板需在管節(jié)對(duì)接時(shí)安裝，二者不在同一施工階段，導(dǎo)致翼緣板上開孔與止水帶壓板開孔不能精準(zhǔn)對(duì)位。為解決此問題，可根據(jù)止水帶壓板尺寸，按1：1比例制作一套壓模工裝，根據(jù)管節(jié)接頭壓板布置圖，來指導(dǎo)不同類型壓板的安裝位置，更好的保證開孔精度。

壓模工裝定位方法：首先測(cè)出翼緣板實(shí)際下料尺寸，然后根據(jù)翼緣板鉆孔定位圖，找出翼緣板縱、橫向基準(zhǔn)線，并打上樣沖點(diǎn)；以翼緣板橫向基準(zhǔn)線，定位出各壓模工裝的位置，定位時(shí)應(yīng)注意翼緣板方向；壓模采用夾碼固定在板件上，然后用磁吸鉆（空心鉆頭）對(duì)準(zhǔn)壓模工裝上的孔，輕輕在板件鉆劃出待鉆Φ34孔的圓印記，依次以翼緣板橫向基準(zhǔn)線在翼緣板上鉆劃出所有孔，為保證開孔精度，超出本塊體部分暫不開孔，待塊體合攏后再開，見圖12。

3.9" 套筒安裝要求

1）避免翼緣板在裝焊套筒時(shí)發(fā)生變形，在翼緣板非結(jié)構(gòu)面上安裝槽鋼加強(qiáng)，待端面板焊接完成后拆除加強(qiáng)；

2）為保證套筒的安裝精度，采用短尺寸的螺栓工裝，使用工裝螺栓將套筒固定在安裝位置，點(diǎn)焊固定套筒；

3）焊前用壓模檢驗(yàn)套筒安裝精度，合格后焊接套筒與翼緣板之間的角焊縫，焊腳高度4 mm，要求水密；翼緣板預(yù)埋套筒使用普通螺栓進(jìn)行保護(hù)，并對(duì)螺栓孔間隙內(nèi)注入天然牛油封閉，在安裝OMEGA止水帶前，中途不得拆除螺栓，見圖13所示。

3.10" 端面板的制作及精度控制要求

1）端面板安裝前，將檢漏水管安裝至相應(yīng)位置，每個(gè)管節(jié)端面共3處檢漏水管；

2）翼緣板焊接后，根據(jù)理論數(shù)據(jù)畫出端面板安裝線，通過在端鋼殼自由邊安裝頂碼工裝，將端面板逐步推至安裝劃線位置，頂碼工裝不得在GINA/OMEGA止水帶安裝區(qū)域焊接，頂碼工裝使用示意圖，見圖14；若端面板超出劃線位置，則需在端面板兩側(cè)焊接卡碼，通過敲擊鐵鍥將端面板拉出，拉碼工裝示意圖，見圖15；

3）通過端面板劃線數(shù)據(jù)檢驗(yàn)端面板安裝位置精度、安裝角度和面板平整度，要求對(duì)線誤差不大于1 mm；端面板定位后對(duì)塊體進(jìn)行整體測(cè)量，端面板位置每隔500 mm布置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，便于調(diào)整整體分析端面板安裝精度；

4）端面板先焊接對(duì)接縫，再焊接角接縫。為了避免焊接熱量集中造成變形，角接縫應(yīng)分段跳焊，每焊接500 mm跳過1 m，待降溫后再焊接，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。

4" " 合攏方案

在平臺(tái)線的合攏過程中，每周需監(jiān)測(cè)底面板的平整度變化情況。對(duì)于管節(jié)總尺寸的控制，采用管節(jié)兩端施放余量，整體合攏后板材余量采用半自動(dòng)切割機(jī)切除，骨材余量采用手工切除后打磨平整的方法來控制。

GINA 止水帶座板（端鋼殼前面板）在管節(jié)整體成形后，按照統(tǒng)一基準(zhǔn)線定位安裝，確保平面度符合要求；面板拼接縫出現(xiàn)局部焊接變形，通過火工或焊補(bǔ)磨平方式處理。

5" " 結(jié)束語

深中通道沉管隧道管節(jié)端鋼殼作為管節(jié)對(duì)接的重要構(gòu)件，其建造精度控制是關(guān)鍵重大技術(shù)難題。本文總結(jié)了本項(xiàng)目中14個(gè)管節(jié)建造的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)端鋼殼各零件從生產(chǎn)設(shè)計(jì)及制作方法等方面進(jìn)行總結(jié)，為類似項(xiàng)目建造提供技術(shù)參考。

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