大型喷泉钢管桁架浮体加工安装技术

朱峰峰，袁 豪，肖玉锋，白 琚，贾 涛

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

“印象嘉陵江”公园中的音乐喷泉于2018年9月开工建造，2019年1月正式完工。喷泉主喷高度可达200m，修建于四川省南充市嘉陵江副航道内，喷泉靠高坪区一侧，喷泉后侧为王府井广场，周边人流密集。嘉陵江此段上游为小龙门航电站，下游为青居水电站。目前，其规模远超国内其他喷泉。喷泉修建于嘉陵江中，水位无法人工调控，在每年汛期，嘉陵江水位波动通常在5m以上。喷泉建设位置如图1所示，尺寸如图2所示。

图1 喷泉建设位置示意

图2 喷泉浮体尺寸示意(单位：m)

喷泉东西跨度40m、南北跨度200m，是一个集喷火、激光、投影、音乐于一体的大型声光水艺秀景观工程。除主喷喷头外，所有设备安装在喷泉浮体上，包括水面灯光设备、牵引控制设备、水型喷头、气爆装置。浮体自重535t，设备重95t，浮体为双层桁架结构。下层浮体在表演工况及正常水位时处于水下，上层浮体作为喷头、线缆及灯具的支架。上层浮体总长度为200.300m，总宽度为40.8m；下层浮体总长度为194.499m，总宽度为36.550m。浮体为双层桁架结构，桁架杆件为外径300mm(壁厚8mm)的Q235螺旋钢管。

2 总体施工安排

喷泉修建于嘉陵江中，需填筑围堰来提供工作面。考虑到围堰填筑区域河床为砂卵石层和淤泥层，结构松散，渗水性强，围堰底承载力差。另外，工程工期较短，因此，工程采用岸上分段加工完成浮体，再在水中组合拼接成整个浮体，使喷泉专业施工和土建结构场地分离、同步施工，提高了施工效率，缩短了施工工期，进而降低了施工成本。

工程开工前，对整个场地进行规划，在非主要施工区域(施工内容少、简单、可快速收尾且靠近江边的区域)设置喷泉浮体加工场地，就近设置材料临时堆场。为提高材料转运效率，堆场附近设置2个吊装区域(见图3)，租用2台100t汽车式起重机作为长期吊装设备进行浮体钢组件吊装、材料转运。

图3 区域分布

喷泉浮体在岸边分段加工完成后，在卷扬机的牵引下缓慢滑入水中，在水中组装完成，然后利用驳船将浮体整体牵引至围堰内完成后续安装工作。

3 浮体加工及安装技术

3.1 加工平台

3.1.1胎架

喷泉在现场制作的胎架上完成初步加工。胎架为喷泉浮体焊接、焊缝防腐等工作提供施工平台，同时兼作喷泉下水滑道。根据喷泉浮体尺寸及设计方案，胎架由钢管及支撑脚组成。由于胎架还作为浮体下水滑道，需保证胎架钢管在受力后不出现较大变形，每根胎架钢管受25组支撑脚支撑，整个胎架由67根50m长的螺旋钢管组成，沿垂直岸线方向间隔3m布置。

胎架钢管两端设置吊架，两端吊架均由∟75×5焊接而成。支架及吊架基础均为混凝土预制块，尺寸分别为200mm×200mm×100mm及2 000mm×1 000mm ×200mm，吊架配备起重滑轮。胎架系统如图4所示。

图4 胎架系统示意

通过两端吊架调整胎架坡度，使每根胎架钢管高度和角度保持一致。调整好胎架高度和角度(使用全站仪)后焊接胎架钢管支撑脚。如果部分胎架受压后托空，可及时利用吊架矫正。

浮体加工工期为1个月，考虑到南充市当地气候条件，浮体加工期间降雨概率较高，容易导致胎架沉降。因此，在使用过程中需设专人对胎架倾斜度及标高等参数进行监测，一旦发现胎架参数变化需立即调整。防止胎架托空导致浮体钢管受弯挠曲。

3.1.2加工场地

规划的喷泉浮体加工区域为江滩地，地表为砂卵石层，滩地有约20%的自然坡度，地表不平整。场地用于加工支撑浮体所用胎架。胎架总重约为224t。

经计算，胎架支撑脚对地面的压强为5.223kPa。根据场内其他区域施工过程中的数据显示，砂卵石层地基承载力可达80kPa，场地平整、压实后进行动力初探试验，可满足使用条件。若地面承载力不足，可考虑拌合水泥土进行固结加强。

3.2 浮体加工

浮体加工既可将成品螺旋钢管采购至现场切割加工成设计长度，也可在工厂加工成设计长度，处理后运至现场进行组装，考虑到现场加工精度及工期等因素，本工程采用工厂加工的方式。

3.2.1浮体钢结构组件分段加工

分段加工时主要考虑如下问题。

1)为保证浮体气密性，需尽量减少分段，以减少焊缝数量。

2)浮体长度、自重大，若按整体组装焊接不易控制，且须保持整体下水，增加了因操作失误导致浮体挠曲变形的风险。

3)浮体管件并非均匀排布，非等分段将增加分段浮体的浮力差，最终导致分段浮体对接困难。

4)考虑到浮体施工工期紧，加工场地仅有70m长、43m宽，同时管件在加工平台上的吊装需采用汽车式起重机，可租用的汽车式起重机工作半径最大为30m左右，因此，最大分段长度为70m。

综上，将整个浮体等分为3段进行加工，每段长度约66m。上中坝音乐喷泉长宽比达5∶1，浮体长度为200m，由于浮体尺寸原因，浮体加工、下水过程中更易产生挠曲，分成小段加工能降低变形风险，质量控制更有保障。对于尺寸较小且加工场地充足的情况，无需分段加工。

根据设计图纸，对浮体钢结构组件进行编组编号以便现场组对(见图5，图中A为分段号，Z,H分别表示钢管布置为纵向、横向)。施工时将整个浮体划分为A，B，C段，现场3段同时进行拼接。钢组件出厂前进行试拼装，试拼后将编号标记至管件上。

图5 钢组件编号

分段浮体拼接位置设置法兰盘，对接处端头封闭，形成3个独立的封闭浮体。

3.2.2浮体拼装

喷泉浮体应有良好的气密性，对组成管件的加工质量要求较高，浮体组件运至现场后先对管口进行检查，若有管口切割严重不平整、破损、尺寸偏差>5mm 等情况需更换管件，否则极易造成浮体漏水下沉。焊接前按编号对管件进行组对，确认无误后，按编号对管口进行焊接。

浮体焊接采用单面电弧焊，焊缝接口为V形，坡口角度α=60°。焊接完成后进行无损探伤，抽检比例为50%，射线探照为5%，技术等级为B级。焊接前需将焊口表面用磨光机打磨干净，不得有锈蚀、油渍及其他污迹，然后检查管口坡口尺寸、角度等。对于焊接前不符合要求的管件须更换。

浮体焊接方向是沿胎架斜面坡底到坡顶方向(见图6)，以坡底首根管件固定后作为整段浮体焊接的基准，开始分段浮体组装焊接。

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图6 施工方向示意

3.2.3浮体检修走道网铺设

浮体检修走道网直接焊接在浮体表面，为喷泉后期检修维护通道，焊接走道网时也需特别注意，防止将管壁烧穿，走道网的角钢需提前加工，保证与管壁贴合。走道网分布如图2所示。

走道网由∟50×5及承重钢板网焊接组成，覆盖平台上灯具及喷头位置，与下层浮体钢管焊接连接(见图7)。

图7 走道网示意

3.2.4浮体气密性试验

分段焊接完成后检测分段气密性，试验压力为0.115MPa(设计要求压力)。试验步骤如下。

1)试压开始前使用鼓风机吹扫管道焊缝，将试验压力表安置在分段浮体上方及下方出口。

2)配制检查泄露口的肥皂溶液。

3)用空压机加压，按试验压力的10%逐级增压，每级加压完成后稳压10min，加至试验压力后稳压30min。升至设计要求压力后检查管道是否存在泄露。待温度、压力稳定后开始记录。

4)稳压持续时间为24h，每小时记录1次压力。计算修正压力降，修正压力降若<133Pa，则气密性合格，按式(1)计算修正压力降。

ΔP′=(H1+B1)-(H2+B2)(273+t1)/(273+t2)

(1)

式中：ΔP′为修正压力降；H1，H2分别为试验开始和结束时的压力读数(Pa)；B1，B2分别为试验开始和结束时的气压计读数(Pa)；t1，t2分别为试验开始和结束时的环境温度(℃)。

若未通过气密性试验，则应使用肥皂溶液找出漏气部位，对该部位进行补焊直至气密性合格。

3.2.5防腐涂层完善及修补

喷泉浮体钢组件在出厂前需完成涂装，在工厂内涂装相比在施工现场涂装质量稳定、速度快，本工程所使用的浮体钢组件采用4层涂装防腐工艺，防腐涂层由上至下分别为：富锌底漆、环氧树脂、环氧云铁、环氧沥青(见图8)。富锌底漆对于钢结构的防腐至关重要，对螺旋钢管表面具有良好的吸附力，能起到良好的防锈效果；环氧树脂能产生较强的黏附力，具有优异的化学稳定性，固化收缩性低；环氧云铁漆膜硬度高，耐高温，不影响焊接性能；环氧沥青延展性、收缩性与钢板相近，能减少漆膜开裂。此种防腐涂层能较好地应对江水中含氧量较高、离子浓度较高、温差大的水环境，提高喷泉浮体的使用寿命。

图8 钢材防腐涂层

浮体组装焊接后会对焊接区域涂装造成损伤，浮体焊接及气密性检测工序完成后还需对焊缝、涂层擦刮区域进行重新涂装。涂装前需对钢材表面喷砂打磨处理，表面粗糙度达40～75μm。每层涂装厚度≥160μm。

3.3 浮体分段拼接组合

浮体分段拼接是将分段加工完成的浮体在水中拼接成整体的过程，一般钢结构连接有焊接和螺栓连接两种方式。由于本工程操作环境在江面，无法实施焊接，因此，选择螺栓连接方式。拼接前需将浮体从胎架上下滑至江面，浮体下水操作流程如下。

1)启动坡顶卷扬机，将浮体拉紧，确保分段浮体下水可控。卷扬机选用原则为：①数量需>2台，沿坡顶均匀布置，防止单点受力导致浮体在胎架平面倾斜，由此产生的水平力可能压翻胎架钢管; ②卷扬机拉力之和大于分段浮体沿胎架斜面方向的分力。

分段胎架重1 920kN，沿滑道斜面的分力为376.5kN，沿垂直滑道斜面的分力为1 882.7kN。胎架钢管与浮体动摩擦因数取0.1，则分段胎架所受摩擦力为188.27kN，下滑过程中所需控制力为376.5kN-188.27kN=188.23kN。因此选用2台额定拉力100kN的卷扬机。

2)拆除限位钢柱 开启卷扬机，卷扬机钢绳张紧后，工人应迅速割除限位钢柱，限位钢柱割除后留下的茬口极易划伤胎架钢管表面，需用砂轮将茬口打磨平整。平整度应以手掌划过无任何凸起为宜。

3)浮体下水拼接组合 下游段及中段浮体首先下水完成拼接，上游段浮体最后下水与中段浮体拼接，完成整个拼接过程。首先缓慢放松卷扬机(多台卷扬机须注意同步)，使分段浮体在卷扬机的控制下逐步滑入水中并立即与驳船连接固定。2块分段浮体在驳船的牵引下完成拼接并抛锚，待最后1块浮体下水后拼接完成。每个分段加工完成下水后，用绳索锚固在岸边，然后在浮体上进行设备安装。

3.4 浮体牵引方式的选择

分段浮体下水后在水中进行拼装，在水中空间位置的调整是浮体拼接的主要工作。每段浮体重约180t，在水中改变分段浮体的运动状态较困难，同时还要保证位置调整操作的灵活性。参考大型船舶在水中无动力牵引的方式，通常有2种：①在两岸以不同角度，通过工人拉纤绳来调整大船位置；②通过驳船顶推的方式来调整大船位置。

喷泉建设位置地处嘉陵江，江岸较宽，浮体位于东侧江岸，浮体距东侧江岸近，距西侧较远(见图9)。

图9 周边环境

若采用第①种方式，西侧面距离浮体较远，两边牵引距离不对称将导致控制困难。因此，采用第②种方式进行牵引。现场踏勘结果显示，水面宽度和水域深度均满足驳船使用条件。

因喷泉浮体完全没入水中后，浮体浮力远大于浮体自重，因此，垂直位置调整较平面位置调整更困难。为避免此问题及满足后期运行时对浮体自重调整的需要，借鉴潜水艇原理，每段浮体均设置水舱用于调节浮体自重，利用微小高差在浮体上加荷载的方式调节。

3.5 浮体就位安装及固定

浮体利用刚性牵拉杆与河底牵拉桩连接，牵拉杆运用摇杆原理使浮体升降。牵拉杆在连接浮体之前由于自重原因会沉入水底，在4～5m水深情况下无法确定其位置，若人工潜水打捞操作不便且成本较高。因此，利用漂浮物标记牵拉杆位置，通过与漂浮物相连的铁链将牵拉杆拉起，浮体就位后与牵拉杆完成连接。漂浮物标定位置如图10所示。

图10 漂浮物标定位置

漂浮物选择球形，球形漂浮物表面光滑，浮体进入围堰后在移动过程中不会被漂浮物绊挂，球体在水面上的露出体积控制在0～1/5倍球直径范围，便于寻找，同时减少对浮体的阻碍。

浮体进入围堰前，牵拉杆标定工作必须全部完成，确保漂浮物工作可靠，用驳船将浮体牵引至设计安装位置并保持位置不动。工人上浮体完成浮体及卷扬机的连接，由于水下视野不良，连接完毕后开启卷扬机，需测试1遍连接情况。

4 结语

采用钢管浮体无需外加浮箱，整体较美观。钢管桁架结构提供了可靠的设备承载平台，确保了喷泉运行时的可靠性。尽管钢管桁架浮体平台加工安装施工质量要求高，工艺相对复杂，但其优异的性能使其成为大型喷泉浮体的常规选择。