港珠澳大桥拱北隧道曲线管幕管节现场制作技术

刘应亮

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

1 工程概况

港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域，工程环境复杂，采用“曲线管幕+冻结法”施工，曲线顶管是本工程核心技术，管节现场制作技术是其重要环节之一。

管幕由 36根φ1 620 mm钢管组成，平均长度257.927 m/根，管间距35.5～35.8 cm，位于曲率半径885.852～906.298 m的缓和曲线和圆曲线上。管节设计长4 m，Q235BZ型钢板制作，承插口F形接头连接，其中壁厚24 mm的钢管19根(下半断面)，壁厚20 mm的钢管17根(上半断面)［1-3］。管节结构详见图1、图2。

图1 管节结构示意(单位:mm)

2 工艺流程

管节制作工艺流程见图3。

3 制作技术

3.1 下料

管身板材下料采用火焰切割，尺寸宽度为2.0 m，长度为管身中直径计算圆周长［4］，根据管身下料面积选择合适的定尺钢板，提高板材利用率。20 mm、24 mm厚板材火焰切割余量和焊接收缩余量一般为1～1.5 mm，对管节加工精度影响很小，可忽略。板材需进行埋弧焊接的三边，采用小车式火焰切割机切割30°坡口，待卷制成筒后形成60°V形坡口。

图2 承插口F形接头结构示意(单位:mm)

图3 管节制作工艺流程

法兰、肋板等零部件利用数控切割机床下料切割。首先将绘制完成的CAD法兰、肋板等下料图直接转换为dwt格式图样，然后数控软件将几种零部件大样图自动排版为最合理的组合形式，并编排切割顺序。最后把编制完成文件输入设备电脑，电脑全自动控制切割路径和各零部件切割数量。

火焰切割要控制好气体质量、切割速度和割嘴高度，保证切割质量［5-6］。

3.2 管身卷制

3.2.1 板端预弯

卷制时，钢板两端须板端预弯，防止管身对接时因钢板两端未辊卷而形成直线段。先将钢板平放在卷管机的上下辊之间，钢板边缘须超过上下轴辊垂直中心线位置。然后上辊下移至管身半径处，让钢板端部一面弯曲，一面向前移动一段距离，使板端得到预弯，同理使钢板的另一端得到预弯。

(1)预弯长度应大于三辊卷管机两个下辊中心距尺寸的1/2，约300 mm。在预弯长度内，预弯圆弧与检查样板间隙h≤1 mm，样板半径宜比管半径小0.5～1 mm。

(2)预弯段应随时用样板检查预弯半径，局部凸起或凹陷的地方，可用钢板条作为衬垫来校正。

3.2.2 卷制

管身卷制使用三辊卷管机采用渐进递送法，经多次往返辊压成型［7］。

(1)在每次调整上辊下移后，卷弯时都要采用样板检查半径的大小，预防弯曲过量，直至筒节弯曲半径完全吻合为止。

(2)在卷制过程中，钢板两侧与轴辊中心线垂直，经常进行检查预防跑偏造成端面错边。

(3)管身卷制成形后，用倒链及专用工装夹具将纵缝对接平直、两端面对齐，间隙小于5 mm。

(4)将卷制完成的管身点焊加固，卸下辊床后进行椭圆度检查。

3.3 焊接

管身纵、环缝采用全熔透性埋弧焊焊接，焊缝采用V形坡口，坡口60°，使用 CO2气体保护焊进行打底［8-9］，管身纵缝两端配置引弧板和引出板，其材质和坡口形式与管身相同。引弧板和引出板长度大于150 mm，宽度不小于80 mm;先焊坡口里侧，再焊外侧;焊缝引出长度需大于80 mm。焊接完毕后，必须用火焰切除焊件上的引弧板、引出板，并打磨平整，严禁用锤击落。

两段管身对接的纵缝错开90°并用倒链拉紧［10］，对接间隙不大于5 mm;两段管身之间的错台不大于2 mm，错台大的位置采用千斤顶和钢管撑将管端撑平，并及时点焊固定。环缝引弧段打底较厚，一般要将坡口焊满，收弧段搭接长度不小于80 mm。

F形接头、法兰、肋板等零部件均采用CO2气体保护焊焊接，焊接前用铁皮将焊缝两侧进行覆盖，以防止飞溅物落在母材上，焊接时合理调整焊机电流和运丝速度，保证焊缝饱满、平顺，有焊接缺陷时及时整改。

3.4 椭圆度控制

纵缝埋弧焊完成后，管身进行椭圆度检查，椭圆度不满足要求的必须进行二次校圆。分加载、辊圆、卸载3个步骤，使工件在逐渐减少矫正荷载下进行多次辊卷。

管身的校圆样板弧长为管身周长的1/3;样板与管内壁间隙应符合下列规定:(1)对接纵缝不得大于壁厚的10%加2 mm，且不得大于3 mm;(2)管端200 mm内的对接纵缝处不得大于2 mm;(3)其他部位不得大于1 mm。

管身卷制时板材要与卷管机对正，保证板材边线须与轴辊中心线平行，否则会出现错边现象;预弯不得过大或过小，否则会使管身组对后接头处错边量过大;卷制过程中上辊下降位移由大变小，防止过弯。管身校圆作业见图4。

图4 管身校圆

3.5 F形接头制作

F形承口先由钢板卷成外径为1620 mm，宽170 mm的管件，然后在钢板制水平台上采用螺旋千斤顶调整管件与承口法兰相对位置进行校圆，承口椭圆度小于4 mm后使用CO2气体保护焊焊接牢固。

F形插口先按设计尺寸卷成圆筒状管件，然后同承口加工方法把管件、法兰、肋板采用CO2气体保护焊焊接拼装成插口毛坯件，最后整体上铣车床加工割槽成F形插口。其制作工艺见图5。

图5 F形插口制作工艺

3.6 管节连接

管节承插口以F形接头限位螺栓形成铰接，以接头槽内安装鹰嘴橡胶圈实现管节间止水，顶管完成后拧紧接头螺栓形成刚性连接。

管节承口与插口单边间隙只有5 mm，承口端需要加工45°坡口，才能将插口鹰嘴橡胶圈经挤压后安装进承口槽内。

管节承插口法兰之间设置木质垫块(厚度20 mm，松木或其他材质的复合板均可)，采用扎丝绑扎固定在管节上。垫木的作用是在曲线内外侧顶力作用下可弹性变形，使顶进过程中的承插口能较好接合。

4 管节质量标准

管节Q235BZ板材质量符合《碳素结构钢》(GB/T 700—2006)的要求;管节焊接质量符合《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)熔透性焊缝要满足焊缝质量等级为二级的验收标准，非熔透性焊缝要达到焊缝质量外观等级为二级验收要求。

管节结构加工制作尺寸检查标准详见表1。

表1 管节拼装几何尺寸质量标准

5 结语

目前已经加工制作管节数量过半，成品合格率达到100%。管幕已经顺利顶进6根，使用管节360余个，实践证明管节制作精度、刚度和稳定性、防水密封性能等均达到预期效果，管节现场工厂化制作技术和产品质量是可靠的。

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