世界最长跨海大桥港珠澳西人工岛隧道钢壳安装，让芙蓉出水更简单

1工程概况

港珠澳大桥岛隧工程是我国首条于外海建设的沉管隧道，也是目前世界上综合性难度最大的沉管隧道之一，为实现桥隧转换，隧道两端各设置一个长约625m的海中人工岛[3]。其中西人工岛岛上段隧道暗埋段CW1做为与海上段沉管隧道对接的首节管节，其对接端面设置有端钢壳。海上段沉管隧道与暗埋段CW1对接时，该端钢壳做为E1管节对接面端钢壳上GINA止水带的承压面，其平整度及受力性能直接关系到对接面的止水密闭效果及耐久性。图1为暗埋段CW1与沉管隧道E1管节对接纵断面图。

图1暗埋段CW1与E1管节对接示意图

暗埋段CW1端钢壳由H型钢及面板两部分组成，其中H型钢做为端钢壳的骨架，承受沉管对接时水力压接的巨大荷载，面板做为GINA止水带的压接面。为确保水密性能，对面板拼装的平整度及焊接性能提出了严苛的要求。

图2为端钢壳断面及立面布置图

2施工工艺

由于暗埋段CW1结构尺寸庞大，且受限于隧道结构分两次浇筑施工工艺，端钢壳整体一次安装成型困难。此外，为确保对接端面平整度，需在端钢壳H型钢整体拼装完成后，再进行面板的焊接，以此尽可能降低焊接过程中造成的面板变形。为确保端钢壳的安装精度，现场采取在端钢壳外侧设置临时大型钢桁架作为其定位支撑及抵抗混凝土侧压力的辅助构件。图3为端钢壳安装定位架立面示意图。

图3端钢壳安装定位钢支架立面示意图

2.1钢支架设计及安装

2.1.1钢支架设计

为便于现场安装，在陆地预制单元钢支架，通过海运至现场进行整体拼装。钢支架整体由15片三角形单元桁架片拼接而成，其中单元桁架立柱、斜支撑及中间拉杆均采用H型钢制作，相邻单元桁架之间采用槽钢剪刀撑连接，整个桁架由上部横梁连接成型。为确保隧道结构第二步混凝土浇筑期间，端钢壳在混凝土侧压力作用下不发生位移，在钢支架两侧（即隧道侧墙处）的两组单元钢支架上设置3组水平加强杆并反向设置斜拉杆。斜拉杆与CW1已浇筑底板及侧墙外侧混凝土底板预埋件焊接固定。图4为钢支架总体拼装正视图。

图4钢支架总体拼装正视图（单位mm）

为确保支架受力安全，采用有限元软件建立三维模型并进行各工况条件下受力分析。计算内容主要包括：基础受力计算、中间三角桁架受力分析、端部三角桁架受力分析、承受混凝土侧压力计算等。

2.1.2钢支架安装因钢支架体型庞大，单元桁架斜杆需抵抗混凝土浇筑时侧压力及端钢壳倾覆力的影响，在钢支架安装前，对立柱及斜杆支撑面进行地基处理，主要通过制作扩大基础墩台并在基础上埋设钢结构预埋件，以方便钢支架的固定。预埋件安装时略低于实际安装位置，以便于微调钢支架倾斜度及平面位置。另外，在端钢壳下的混凝土垫层内提前预埋型钢，该型钢略低于混凝土垫层，通过该方式，可在后期通过楔子精调端钢壳的安装位置。图5为钢支架预埋件及端钢壳底部精调型钢布置示意图。

图5钢支架预埋件及端钢壳底部精调型钢布置示意图

2.2端钢壳安装

端钢壳分工字钢和面板两次安装，因构件尺寸庞大，实际组拼时采取分段对称安装方式，以便消除焊接变形。具体顺序如下：由下侧墙下端两侧向底板中间靠拢，即1→2→3→4←3←2←1；然后再由侧墙上端向顶板中间靠拢，即5→6→7→8←7←6←5。图6为端钢壳工字钢拼装顺序图。

图6端钢壳工字钢拼装顺序图

2.2.1测量控制初步定位靠测放的理论控制线与节段对应线进行对中控制，然后用靠尺校核节段平整度，最后用高精度全站仪校核节段控制点位置和倾斜度，校核合格后用马板临时点焊固定节段。为了避免大气温度影响测量精度，每天早晚期间进行测量放样、测量校核。在端钢壳工字钢安装完成后，在端钢壳上做监测点，以便在混凝土浇筑过程中监测及校正。

2.2.2拼装控制

在端钢壳底部预埋型钢和顶部托梁上焊接调平垫板和两侧限位卡板，在钢支架立柱上端焊接粗定位垫板；测量校核后将端钢壳工字钢节段用塔吊吊装至调平垫板上，工字钢上、下翼缘板与钢支架立柱上的粗定位垫板紧贴，采用千斤顶调整拼缝间隙，用楔子精调工字钢纵向位置；最后校核合格后将工字钢下翼板与垫板点焊，上翼板通过拉板与钢支架立柱焊接固定。拼装定位中采取措施减小对保护防腐涂装的破坏，在浇筑混凝土强度达到80%后拆除拉板。

2.2.3焊接控制

焊接前进行焊接工艺评定，制定合理的焊接工艺规程。在现场烧焊时严格执行焊接工艺评定，保证焊接质量，减少焊接变形。采用对称焊接、焊后校火、机械矫正等措施保证安装精度。焊接完成后进行探伤检测和外形尺寸精度检测。腹板、翼板在制作厂家开设好坡口，均采用钢衬垫焊。腹板对接处下端开15mm×70mm的方形工艺孔，待下翼板对接烧焊结束后反面加钢衬垫小电流多层焊。

2.2.4端钢壳工字钢与钢筋骨架焊接端钢壳工字钢作为隧道结构端头模板的一部分，在混凝土浇筑过程中对端钢壳工字钢产生侧压力。因此在工字钢位置调整好后将其与钢筋骨架焊接牢固，从而增加端钢壳自身稳定性。

2.2.5钢支架斜拉体系安装为了减小隧道结构第二步混凝土浇筑时混凝土侧压力对钢支架基础的压力，减小基础沉降，控制端钢壳在混凝土浇筑过程的变形，在上半部分端钢壳节段拼装调整合格后，在端部两片三角桁架上安装3组斜拉体系。

2.3端钢壳面板的安装为了保证沉管对接时GINA止水带均匀压缩及水密性，对端钢壳面板的成型精度要求极高，须在测量、安装、焊接过程中严格控制。在混凝土强度达到80%后解除端钢壳上H型钢上的固定马板，用测量仪定出面板的安装线，将安装线用样冲孔打在端钢壳的下翼板上。在端钢壳H型钢上、下翼缘板上间隔4m点焊一处定位板，定位板既可以用于面板定位，也可减小面板烧焊时变形。

2.3.1面板安装顺序为减少面板拼装变形，面板焊接时按照由侧墙下端两侧向底板中间靠拢顺序施工，即M7→M1→M2→M1→M3←M1←M2←M1←M7；然后再由侧墙上端向顶板靠拢，即M4→M6→M5→M1→M2→M1、M1←M2←M1←M5←M6←M4，如图7。

图7端钢壳面板拼装顺序图

2.3.2吊装拼装将已焊好螺栓（用于微调）并开好焊接坡口的面板用塔吊吊装定位，顶紧在端钢壳H型钢内焊接的定位板上，并检验面板与安装线的对应状况，每延米间用钢靠尺检查平整度。逐段检查合格并定位焊接，焊接间距为200~300mm。

2.3.3拼缝焊接在焊接拼装前，首先进行焊接工艺评定确定合理的焊接工艺规程，作为现场施焊的施工规程。焊接前用高压气枪将拼缝清洁干净，保证焊缝无夹渣。为减少焊接变形，采取先焊面板与隔板接触端头的塞焊，然后焊接节段面板与翼板间拼缝，从中间逐渐向两端烧焊。焊接采用二氧化碳气体保护焊，小电流多层焊，减小焊接变形。焊接前采用工装固定对接坡口，以增加结构焊接时的刚性。第一块面板焊完后，测量其变形情况，确认焊接符合要求后再装焊其余钢面板。边装焊边测量，保证精度要求。焊接完成后，进行校火、机械矫正，打磨后进行探伤检测和尺寸检验。

3结语

西人工岛岛上段隧道暗埋段CW1段做为海上段沉管隧道对接施工的起始端，其端面设置的全断面端钢壳安装质量直接关系到沉管对接后止水效果及耐久性。为此，采用大型钢桁架进行高精度定位，并采取分段组拼的方式实现了端钢壳的精确安装。经检验全断面表面平整度小于5mm，GINA止水带接触面平整度小于1mm，满足设计要求。目前，沉管隧道与西人工岛隧道暗埋段已顺利完成对接，各项止水性能表现良好。