李森，余良輝，周力偉

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 長興分公司，上海 201913）

港珠澳大橋是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道，海上人工島又被稱為整個(gè)大橋技術(shù)難度大、工期緊的主體工程。由于這里是中華白海豚棲息地和珠江口海、空運(yùn)交通樞紐，承建方選擇了大型鋼圓筒植入海底造島的設(shè)計(jì)方案，東西人工島共采用120個(gè)直徑φ22m、高約40.5～50.5m不等、單筒達(dá)500多t的超大型鋼圓筒作為島壁結(jié)構(gòu)，如此大的鋼圓筒其制造和運(yùn)輸是項(xiàng)目的關(guān)鍵難點(diǎn)。鋼圓筒傳統(tǒng)制作方法有氣囊頂升法和單塊鋼板逐層拼接法，這兩種方法鋼板均需經(jīng)過卷圓才可進(jìn)行拼裝，并且是外場作業(yè)，受天氣影響比較大，高空作業(yè)量大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。按照施工計(jì)劃節(jié)點(diǎn)，只有不到1 a的制造周期，因此，必須對(duì)鋼圓筒制作工藝進(jìn)行研究。

1 總體工藝方案

港珠澳大橋島隧工程鋼圓筒直徑大，高度高，體積龐大，但徑向剛度差，尤其是下部結(jié)構(gòu)為了振沉順利沒有設(shè)置橫向筋板，另外，鋼圓筒月供量特別大，要求每月供貨量達(dá)9000 t左右。根據(jù)鋼圓筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)場地情況，采用垂直分塊法將單根鋼圓筒總體分成上、下兩段制造，下段筒體（以下簡稱下段）采用固定長度，即20.9m，上段筒體（以下簡稱上段）長度隨鋼圓筒總體長度的變化而變化，其長度等于總長減去20.9m；每段筒體采用豎向等分成6塊板單元，每塊寬約11.5m，如圖1所示。

圖1 垂直分塊法分塊示意

板單元全部安排在結(jié)構(gòu)車間內(nèi)部制作，采用成型胎架成型，制造時(shí)，除頂端25mm厚的外板需卷制，其余外板均不卷制，在水平胎架上安裝豎向T肋后吊到弧形胎架上，依靠自身重力使之與弧型胎架貼合，局部未貼合的區(qū)域采用配重塊施加外力使之與弧型胎架貼合，成型后安裝環(huán)形橫向筋板或工藝筋板加強(qiáng)。

采用液壓平板車加龍門胎架將板單元轉(zhuǎn)運(yùn)到外場堆放，龍門胎架與板單元之間采用斜鍥墊實(shí)以防止板片轉(zhuǎn)運(yùn)過程中變形。在外場搭制總拼胎架，采用門機(jī)雙鉤翻身吊裝板單元合攏成上、下段筒體，最后采用500 t門機(jī)整體吊裝上段筒體和總拼胎架完成與下段筒體的對(duì)接；上段寬榫槽在上段筒體成型后安裝，下段寬榫槽在上、下段筒體合攏后進(jìn)行安裝；鋼圓筒總體制作工藝流程如圖2所示。鋼圓筒整體制作完成后，采用兩臺(tái)門機(jī)配合專用吊架抬吊轉(zhuǎn)運(yùn)到碼頭前沿，再采用浮吊配合專用吊架吊裝上船。

圖2 鋼圓筒總體制作流程圖

2 工藝難點(diǎn)及對(duì)策措施分析

2.1 工期緊、月供量大

由于該項(xiàng)目共有120個(gè)鋼圓筒，制造周期僅7個(gè)月，月均需供17個(gè)鋼圓筒，重約9000 t，工期緊，月供量大，因此工藝方案中應(yīng)盡可能采用簡單高效的工藝方法。

1）采用垂直分塊法，避免傳統(tǒng)橫向劃分法帶來眾多橫焊，使之每段僅6道立焊，大大提高圓筒體合攏效率。

2）板單元全部放在車間內(nèi)制造，避免不良?xì)夂驅(qū)χ圃爝M(jìn)度和質(zhì)量的影響。

3）上段外板（除頂部25mm厚板外）均不卷制，直接依據(jù)圓弧形胎架成型，成型后安裝環(huán)形橫向筋板或工藝筋板，對(duì)其弧度進(jìn)行保持。

4）大量采用埋弧自動(dòng)焊、CO2自動(dòng)角焊、埋弧自動(dòng)橫焊、垂直氣電焊等自動(dòng)焊接方法[1]，95%以上的焊縫均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，提高焊接效率與質(zhì)量。

5）考慮到鋼圓筒制作的關(guān)鍵瓶頸是外場拼裝合攏，針對(duì)拼裝場地只有1臺(tái)500 t門機(jī)和1臺(tái)450 t門機(jī)，通過門機(jī)移位和租賃履帶吊等方式增加外場拼裝用吊裝設(shè)備，用于板單元的翻身吊裝，加快圓筒體的拼裝合攏進(jìn)度。

2.2 制造、轉(zhuǎn)運(yùn)過程結(jié)構(gòu)變形的控制難度大

由于板單元制作過程中外板不卷圓，外板在水平胎架上拼接并裝焊T排后，再上圓弧胎架成形，因此如何保持圓弧度直接關(guān)系到筒體的合攏成形。此外，鋼圓筒合攏后，由于直徑大，板厚薄，徑向剛度差，吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程中吊裝鋼絲繩的水平分力易造成鋼圓筒變形。因此，決定采取以下措施：板單元制造時(shí)，兩端及中間適當(dāng)增加環(huán)形工藝加強(qiáng)隔板，使之易于保持圓弧度；板單元轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，采用專用龍門擱架，龍門擱架與板單元兩側(cè)墊斜鍥，從而減少運(yùn)輸過程中板單元弧度的變形；外場筒體轉(zhuǎn)運(yùn)和裝船時(shí)，設(shè)計(jì)專用矩形吊架，使鋼圓筒上吊點(diǎn)僅受垂直力，從而避免鋼絲繩橫向力造成鋼圓筒的變形。通過以上措施，減少和控制鋼圓筒及板單元在制造、轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的變形。

2.3 鋼圓筒體積大，高度高，總裝難度大

港珠澳大橋鋼圓筒高度在40.5～50.5m之間，高度高，高空作業(yè)難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。為降低作業(yè)高度和施工難度，工藝中將鋼圓筒分成上、下兩段，使每段筒體施工作業(yè)高度只有原筒體高度的一半。在鋼圓筒合攏時(shí)，設(shè)計(jì)專用六邊形內(nèi)模胎架，在高度方向上設(shè)置上、中、下3層調(diào)整平臺(tái)，每層調(diào)整平臺(tái)上設(shè)置滑移梁，可以調(diào)整鋼圓筒圓度；胎架底部設(shè)置圓弧角鋼和導(dǎo)向板，方便板單元的快速就位；胎架上設(shè)置兩層圓弧平臺(tái)，板單元對(duì)接處設(shè)置縱向?qū)悠脚_(tái)和直梯，方便板單元的對(duì)接合攏和裝配施工，提高作業(yè)安全性。

3 鋼圓筒制作工藝

3.1 板單元制作及運(yùn)輸

鋼圓筒使用鋼板均采用定尺板采購，除在一端鋼板上留修割余量，其余接頭均采用無余量拼接，提高了鋼板利用率。采用埋弧自動(dòng)焊對(duì)拼縫進(jìn)行焊接，拼板結(jié)束后，對(duì)鋼板平整度進(jìn)行校正；然后劃出板單元中心線以及周圈余量修割線，確保板單元高度公差和對(duì)角線公差，合格后對(duì)余量進(jìn)行修割。以板單元中心線為基準(zhǔn)，劃出T肋安裝位置線，安裝T肋，注意保證T肋的直線度，與板單元之間點(diǎn)焊固定，各項(xiàng)尺寸檢測合格后，使用CO2自動(dòng)焊接小車對(duì)T肋角焊縫對(duì)稱焊接，T肋安裝焊接后，對(duì)焊后各項(xiàng)尺寸檢查合格，然后將板單元吊至圓弧形胎架上，依靠板單元的重力或使用配重外力使之與弧形胎架貼緊，如圖3所示；再安裝環(huán)形橫向筋板或工藝筋板及25mm厚的筒壁板，對(duì)接25mm筒壁板時(shí)需增加卡碼，用以控制焊接變形。焊接時(shí)使用CO2氣體保護(hù)焊，焊后對(duì)板單元外形尺寸進(jìn)行檢測，保證高度尺寸公差和寬度尺寸公差在規(guī)定范圍內(nèi)。每片板單元在上下兩端各對(duì)稱安裝2只吊裝吊耳，吊裝吊耳采用工藝螺栓與T肋聯(lián)接，筒體合攏后再拆下來重復(fù)利用。板單元的運(yùn)輸采用液壓平板車配合龍門擱架運(yùn)輸，并在龍門擱架與板單元之間采用斜楔塊墊實(shí)，以防止運(yùn)輸時(shí)板單元變形。

圖3 板單元在成型胎架上成型

3.2 鋼圓筒外場拼裝焊接

考慮到筒體的重量，選在外場450 t、500 t門機(jī)覆蓋區(qū)域進(jìn)行筒體拼裝，為了方便筒體拼裝設(shè)計(jì)了專用總拼胎架?？偲刺ゼ芸傮w呈正六邊形，由鋼管組拼而成，每邊上配有4根支撐管，調(diào)整筒體拼裝胎架的水平，總拼胎架中心線距門機(jī)軌道中心32m。采用液壓平板車將板單元運(yùn)輸至拼裝場地，利用門機(jī)主鉤和小鉤對(duì)板單元進(jìn)行空中翻身，將豎立的板單元吊至圓筒胎架上，下口通過導(dǎo)向板進(jìn)行板單元定位，然后調(diào)整板單元的垂直度，調(diào)整到位后鎖住上口的支撐管，且頭部連接板與筒壁焊接牢固，如圖4所示。將第二塊板單元按照上述方法吊裝到位，利用板單元上下口調(diào)節(jié)工裝，調(diào)整第一塊板單元與第二塊板單元之間的間隙（調(diào)整板單元中心線至板單元中心線之間弧長）。按相同的方法依次將板單元拼裝到位，拼裝成整體后再次確認(rèn)各個(gè)對(duì)接縫的間隙，檢查筒體上端口的平面度、端口周長偏差、直徑偏差和垂直度，合格后在筒體內(nèi)壁拼縫位置焊接卡碼固定，并貼好垂直氣電焊焊襯墊，采用垂直氣電焊焊接。上、下段筒體單獨(dú)制作成型后，以筒體下口為基準(zhǔn)，在下段筒體上口和上段筒體下口劃出水平基準(zhǔn)線，以便上、下筒體對(duì)接時(shí)確保筒體上口的水平。

圖4 鋼圓筒外場拼裝

3.3 鋼圓筒上、下段對(duì)接合攏焊接

筒體上、下分段制作完畢后，對(duì)其直徑、周長、垂直度、筒體上口水平度進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后進(jìn)行筒體上下段對(duì)接合攏。合攏時(shí)下筒體位置不變，將上筒體吊至下筒體上進(jìn)行對(duì)接合攏定位。筒體上下段對(duì)接合攏采用一臺(tái)門機(jī)和方形吊架進(jìn)行上段筒體的吊裝作業(yè)。上段吊至下段筒體上方后，依靠筒壁上導(dǎo)向板進(jìn)行初步定位，并依靠T型肋上擋塊來確定上、下筒體之間相對(duì)轉(zhuǎn)角，依靠碼板及千斤頂來調(diào)節(jié)錯(cuò)邊量，筒體對(duì)接尺寸合格后，調(diào)整測量上、下筒體水平基準(zhǔn)線之間的距離（圓周方向均勻測量4個(gè)點(diǎn)），確保上、下筒體對(duì)接后筒體整體的垂直度。全部檢測合格后進(jìn)行定位施焊，焊接要求及焊接參數(shù)按照監(jiān)理認(rèn)可的焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。焊接時(shí)，采用埋弧自動(dòng)橫焊機(jī)施焊對(duì)接環(huán)焊縫，注意不得從一個(gè)方向連續(xù)完成整條焊縫的焊接，應(yīng)使用2臺(tái)埋弧焊機(jī)分段對(duì)稱跳焊，以減少焊接應(yīng)力和焊接變形。

3.4 寬榫槽制作、安裝

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，寬榫槽不易制作成整體組件進(jìn)行組裝。通過與設(shè)計(jì)溝通，在上段筒體寬榫槽內(nèi)側(cè)嵌入一塊連接板，將上段筒體寬榫槽、加強(qiáng)三角板、膠皮制作成組件，并在地面將膠皮翻到位。這一方案極大減少了高空焊接、裝膠皮、翻膠皮等工作量，提高了工作效率。上段筒體焊接完成后，根據(jù)筒體上的0°線劃出上段筒體寬榫槽安裝位置線，將制作成組件的寬榫槽組裝到位，檢測寬榫槽的垂直度，合格后，焊接寬榫槽以及加強(qiáng)板與筒體之間的焊縫。上、下筒體合攏后，使用激光經(jīng)緯儀或吊垂線的方法，將寬榫槽位置線從上段筒體寬榫槽裝配線引至下段筒壁上，然后進(jìn)行寬榫槽結(jié)構(gòu)安裝定位，焊接方法與上段筒體寬榫槽相同。

3.5 鋼圓筒轉(zhuǎn)運(yùn)、裝船

鋼圓筒各項(xiàng)尺寸報(bào)監(jiān)理檢查合格后，利用兩臺(tái)門機(jī)抬運(yùn)至發(fā)運(yùn)碼頭。為防止筒體產(chǎn)生較大變形，制作了專用吊架，吊架下側(cè)吊點(diǎn)對(duì)角線尺寸與鋼圓筒上吊點(diǎn)開檔相同，使筒壁在吊裝過程中僅受垂直力，不受水平力[2]。由于筒體較高，考慮到吊裝時(shí)安裝、拆除卸扣問題，在吊架上制作安裝了工藝平臺(tái)，以滿足吊裝需要，同時(shí)確保放工人員的作業(yè)安全。

鋼圓筒裝船采用1600 t浮吊單鉤吊裝，同樣制作了裝船用專用吊架，起重人員可在起鉤前站于吊架工藝平臺(tái)上裝、拆卸扣。此方案即解決了筒體吊裝變形問題，同時(shí)又提高了吊裝作業(yè)的安全性，提高了吊裝效率。

4 結(jié)語

通過對(duì)港珠澳大橋島隧工程鋼圓筒項(xiàng)目的工藝難點(diǎn)及對(duì)策分析研究，結(jié)合上海振華重工長興分公司的場地、設(shè)備、人員特點(diǎn)，通過優(yōu)化鋼圓筒制作工藝流程，大膽進(jìn)行工藝創(chuàng)新，形成了車間板單元制作和外場拼裝合攏的專業(yè)化生產(chǎn)，并通過在制作中采用T排大直徑CO2焊絲自動(dòng)角焊、垂直氣電焊立焊、環(huán)縫埋弧自動(dòng)橫焊等高效焊接技術(shù)，提高了生產(chǎn)效率，縮短了制作周期；同時(shí)設(shè)計(jì)了專用的移位吊架和裝船用吊架以減小吊裝變形，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。為港珠澳大橋島隧工程的施工進(jìn)度提供了有力保障。

[1] ANSI/AWSD1.1M：2008，美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

[2] 蔡裕民.吊裝工藝計(jì)算近似公式應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.