港珠澳大桥沉管管节钢帽安装工艺

唐永波，周建民，魏杰

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

港珠澳大桥沉管隧道工程沉管隧道共有33 个管节，自西（珠海）向东（香港）依次编号为E1～E33，管节沉放先后顺序分为东西两线进行施工，西线由西人工岛暗埋段至E29 管节，最长距离约为5.3 km，东线由东人工岛暗埋段至E30 管节，距离约为0.75 km。

港珠澳大桥沉管隧道工程沉管E29、E30 两管节沉放就位后，将最终接头沉放于E29 与E30之间[1-3]，通过连接钢板完成最终接头与管节E29/E30 钢帽之间的刚性连接，为确保钢帽与连接板组装施工，结合本工程设计要求及工程特点，编制了管节钢帽安装工艺方案。

1 概述

钢帽是管节与最终接头连接的关键构件，设置在E29 管节S8 端和E30 管节S1 端，与管节混凝土连为一体，是管节结构中重要的永久性构件[4]。钢帽截面设计最大尺寸为1 490 mm×800 mm 的不规则E 形截面，主要由上、中、下翼缘板、侧向腹板、加劲板及连接焊钉组成。钢帽整体呈环形，宽度38.34 m，高度11.79 m。钢帽的安装结构形式，具体见图1 所示。

2 施工难点

1）结构装配尺寸控制。由于钢帽所处位置在曲线段管节端部，是钢结构件与钢筋混凝土的有效结合体[5]，其安装尺寸受到钢筋笼实体尺寸制约，给整个钢帽的装配调整带来了很大的难度。

2）焊接变形控制。钢帽板厚多在t=28 mm 左右，且整体质量较大，受预制车间起重能力限制，钢帽需分为多个分段预制，再完成组对焊接，导致焊接量较大，焊接变形难以控制。

图1 钢帽结构示意图Fig.1 Sketch map of steel hat structure

3）平整度及角度要求严格。因钢帽承压板需与最终接头Gina 止水带紧密贴合，若承压板平整度存在偏差，将会严重影响止水效果；另最终接头为“三明治”结构形式，对钢帽结构的倾斜度控制要求较高，这两点对钢帽组装提出了很高的要求。

4）交叉作业。为确保钢帽的顺利安装与焊接，许多钢筋无法提前安装到位，必须穿插进行。期间涉及到模板体系转换，由于模板安装要求很高，需充分考虑吊装、焊接等工序，存在很多交叉作业，增加了施工难度。

5）焊接空间狭小。分段焊接过程中，由于结构翼缘板之间的空间较小，而且部分焊缝需要在钢筋笼之间焊接，致使分段调整与焊接工作较难开展。

3 钢帽安装方案

针对以上施工难点，对钢帽安装进行了详细分析，做好相关工艺准备工作，下面主要对钢帽安装工艺进行说明。

3.1 安装前准备工作

1）材料转运。钢帽总重约80 t，根据起重设备和转运条件考虑，划分为顶板单元、侧墙单元、中墙单元和底板单元4 个部分，每个分段重量控制在4～8 t 之间。其中顶板单元包括分段4、10、9、5，侧墙单元包括分段8、1，中墙单元包括分段11、12，底板单元包括分段6、3、2、7，共计12 个分段，最重分段约8 t。在整体组装前，分别将分段4 和10、9 和5、2 和3 两两拼装成组件，具体分段如图2 所示。

2）构件分段检查。根据图纸，对各分段进行尺寸检查，并在分段上划出测量检验线或检验点，已方便后续调整时的平整度和倾斜度测量工作。

图2 钢帽分段示意图Fig.2 Sketch map of sections of steel hat

3.2 钢帽分段安装

由于钢帽分段的安装过程与钢筋笼、浇筑模板安装紧密相关，因此，钢帽分段的吊装、定位、焊接等一系列环节，必须与相关模板体系的转换相结合，具体步骤如下。

1）钢筋笼顶推入模后（厂房浇筑区），廊道内模安装，提拉钢筋笼顶板钢筋，防止出现下挠现象，拆除左右行车道钢筋笼顶板处模板胎架，行车道内模针型梁支腿不下放，内模暂不滑入。

2）将分段钢帽转运至厂房休整区，需要提前进行钢筋的布设与安装，防止后续钢筋无法与钢帽组装。

3）在底模上拼装钢帽的底板单元分段，完成底板单元分段的焊接工作，见图3。

图3 钢帽底板分段焊接及精度调整图Fig.3 Sections welding and precision adjustment diagram of steel hat bottom plate

4）完成钢帽底板处钢筋笼的匹配安装，注意精调至设计位置，并测量底板承压板平整度和倾斜度。

5）中廊道模板闭合至设计位置，吊装钢帽中墙单元分段，并根据图纸要求调整分段装配，待装配合格后，完成中墙单元分段与底板单元分段拼接处承压板、左右行车道侧翼板的焊接工作，中廊道内侧翼板暂不焊接。

6）侧墙模板闭合至设计尺寸，吊装钢帽侧墙单元分段，完成侧墙单元分段与底板单元分段拼接处承压板、靠行车道内侧翼板的焊接工作，外侧翼板暂不焊接。

7）安装左右侧行车道内模至设计位置，并检查内模是否与钢帽紧密接触。

8）吊装顶板单元分段，精确调整后，先施焊完成顶板单元分段之间的焊缝；然后施焊完成与中墙单元之间的承压板焊缝；最后，施焊完成顶板单元分段与侧墙单元分段之间的焊缝。

9）施焊顶板单元分段与中墙单元分段行车道侧的翼板焊缝，注意焊接其中一侧翼板焊缝时，应保持另一侧车道的内模不退出。焊接完成后，将左右侧行车道内模安装至设计位置。

10）退出中廊道内模，施焊完成钢帽顶、底板单元分段与中墙单元分段的内侧翼板焊缝。

11）安装中廊道内模至设计位置，然后打开左右侧侧模，施焊完成侧墙单元分段与底板单元分段的外侧翼板焊缝。

12）精调钢帽整体精度、倾斜度，合格后安装侧墙及顶板模板，并安装端面临时支撑加固（图4），钢筋笼卸载，待混凝土浇筑完成后，拆除端面临时支撑。

图4 钢帽临时支撑加固Fig.4 Reinforcement of temporary support of steel hat

3.3 装配定位要点

在钢帽分段装配定位过程中，注意汽车吊暂不松钩，配合定位，同时根据图纸尺寸要求，利用千斤顶、手拉葫芦进行精调定位，保证分段整体倾斜度，以及对接缝之间的装配间隙和平整度。在精调定位过程中，采用激光经纬仪或全站仪配合同步测量调整。同时注意对接缝位置衬垫需安装到位，待整体调整到位后采用定位卡板将分段之间固定牢固，并根据实际情况增加临时支撑，来辅助结构稳固，如图5 所示。

图5 钢帽组装定位图Fig.5 Location drawing of assembly of steel hat

3.4 分段焊接质量控制

钢帽分段的焊接工作在模板体系转换过程中完成，并通过对焊接过程的严密控制，有效控制多分段、大焊接量引起的变形。

3.4.1 工艺准备

1）钢帽拼装前必须熟悉图纸及技术要求，认真核对零件平面度、直线度等各种偏差，确认符合图纸要求后方可组装[4]。

2）组装前必须彻底清除待焊区的浮锈、底漆、油污、杂物等。

3）焊缝端部按规定组装引、熄板，其材质、厚度及坡口与所焊件相同。

3.4.2 焊接准备

1）焊接作业现场焊接环境湿度不大于80%，不得在低于0 ℃的母材上焊接。

2）焊接表面的油、锈必须清除干净。

3）露天采用CO2气体保护焊时，必须采取严格、可靠的防风防雨措施，CO2气体纯度≥99.9%。及时清除喷嘴上的飞溅物，且干燥器始终处于良好的工作状态。

4）施焊前，待焊接部位的母材和坡口表面光洁、整齐，无毛刺、损伤、裂纹或影响焊缝强度和质量的其它缺陷。

5）施焊期间的清理：在前道焊层上焊下一焊层前，将焊缝表面所有熔渣、飞溅清理干净，此要求不仅适用于前后焊层，也适用于前后焊道，以及中断后继续施焊的弧坑处。

6）完工焊缝的清理：完工焊缝清除熔渣，母材附近清除飞溅。

7）为了提高热影响区和焊缝金属的冲击韧性，焊接过程中必须采用多层多道焊。

8）采用衬垫的坡口焊缝，应使焊缝金属与衬垫紧密贴合，衬垫应沿焊缝全长连续设置，非箱体内部衬垫须进行清除，清除过程尽可能不伤及母材，根据实际情况进行补焊。

9）手工电弧焊、CO2气体保护焊的立焊位置的施焊方向，要求自下而上。

3.4.3 焊接区域清理

1）焊接前，所有焊接坡口的切割面，待焊区域内的车间底漆及其它有害物，以及在规定范围内的氧化皮、铁锈、水分、油漆等妨碍焊接的物质，将清除打磨干净，要求露出金属光泽，焊接清理区域为焊接区域两边各20 mm 范围。

2）焊接区域清理要求在构件组装前进行，构件组装后注意保护，对于主要部件在组装后24 h内焊接。若重新锈蚀或又附有水分、铁锈等有碍焊接的杂质，将重新清理。

3.4.4 焊接变形控制措施

1）分段在焊接前，为了减少焊接变形及残余应力，所有面板与面板之间的焊缝均采取分段分次、多层多道焊接方法，通过严格控制每道焊缝的焊道厚度、焊接线能量来控制焊接变形[6]。

2）焊接时尽可能使用偶数焊工对称施焊，控制焊接变形。

3）控制层间焊接温度，在焊完1 层后，应冷却一段时间再施焊。防止焊接温度过高，变形收缩过大。

4）使用火焰加热法配合千斤顶校正局部焊接变形。

5）通过模板体系转换，控制钢帽焊接变形及整体尺寸。

3.4.5 焊接工作质量

1）所有焊缝的长度，焊脚尺寸符合施工图纸要求，未经许可，不得改变焊缝位置。

2）焊缝不得有焊喉不足、过高、咬边过量、溢瘤、偏焊、以及未焊透等缺陷。

3）在进行焊缝打磨时，不得有过热倾向和损伤母材表面。

3.4.6 焊缝修磨

1）焊接后，必须用气割切掉两端的引、熄弧板或产品试板，并磨平切口，不得损伤母材。

2）焊脚尺寸、焊波或余高等焊缝超差的咬边必须修磨匀顺。

3）焊缝咬边超过1 mm 或焊脚尺寸不足时，可采用手工电弧焊进行返修处理，并修磨匀顺。

3.4.7 焊缝返修

1）采用机械方法清除焊接缺陷，在清除缺陷时刨出利于返修焊的坡口，并用砂轮磨掉坡口表面的氧化皮，露出金属光泽。

2）焊接裂纹的清除长度由裂纹端各外延50 mm，并刨成1:5 的斜坡。

3）返修焊缝按原焊缝质量要求检验。

4）在焊缝修补过程中的层间温度需始终保持，不得中途停止，直至修补完毕。

5）修补焊缝一边的开槽深度，不超出设计图纸焊缝有效焊喉的65%，缺陷深度超过以上范围时，需进行反面修补。

6）修补后的焊缝表面采用砂轮打磨匀顺。

3.5 检验

3.5.1 焊接质量检验

1）外观检验。待焊缝金属冷却后，对所有焊缝进行外观检查，并填写检查记录备查[7]。不得有裂纹、未熔合、焊瘤、烧穿、夹渣、未填满弧坑及漏焊等缺陷。焊缝外观质量必须满足设计的相关规定。外观检查不合格的焊接构件，必须进行修补并打磨匀顺，在未进行处理并满足要求之前，不得进入下一道工序。

2）无损检测。经外观检验合格的焊缝，方可进行无损检测；无损检测的最终检验在焊接24 h后进行；超声波探伤应符合现行国家标准GB 50205—2001《钢结构工程施工及验收规范》的相关要求。

3.5.2 结构外形检验

对钢帽整体和局部进行平整度检测、高程检测，结果符合图纸要求。

3.5.3 涂装检验

涂装材料必须一致，在焊缝完成检验后，对焊缝区域进行补涂装[6]。涂膜总厚度应达到设计要求，85%测点膜厚度应达到设计要求，局部未达到膜厚部分，其膜厚不小于设计要求的85%。

4 结语

通过对每一个施工环节的周密控制，有效解决了在复杂环境下的多个施工难题。目前港珠澳大桥已全线通车，事实证明本方案安全性高，节约了大量设备成本，效果显著，对以后类似工程的优化有一定的借鉴作用。