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钢接头结构优化

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1 概述

港珠澳大桥海底隧道由33 节沉管管节和一个最终接头组成，最终接头与沉管管节的连接是在水下进行。利用浮吊将最终接头吊装就位，其内嵌液压千斤顶系统启动，顶推小梁结构向远离最终接头本体的方向移动，带动M 止水带张拉，移动到一定距离后，顶推小梁端部的Gina 止水带抵达相邻管节的钢帽，Gina 止水带压紧后，即实现管节内外部的隔离，最后对管节内部排水，形成可施焊的空间，钢接头的焊接就在该空间内进行，相关结构关系参照图1。钢接头由内圈连接钢板、外圈连接钢板、小加劲、隔板体系组成，在隧道横截面上，隔板是每隔一段距离布置一档。连接钢板均是工厂内分块制作，发运至隧道安装现场。钢接头焊接完成后，形成了永久的封闭内部，灌注高流动性混凝土，完成隧道的连接并实现最后的贯通。连接钢板的焊接存在大量仰焊作业，且作业空间受到限制，国内外没有可借鉴的经验，存在如下难点：

（1）施工环境恶劣，焊接空间受限。钢接头的焊接是在Gina 临时止水的状态下进行，并且结合腔内部环境潮湿，无自然通风条件，最终接头与钢帽间的作业空间净距仅1米。

（2）钢接头焊缝工作量大，焊接质量要求高，对接焊缝必须全熔透焊接，100%通过UT/MT 探伤检测。

（3）钢接头焊接施工的周期必须尽量短。由于钢接头焊接完成之前，结合腔内仅依靠油缸顶推GINA 止水带隔绝海水，风险太高。所以尽早完成结合腔内钢接头连接钢板的焊接工作是沉管工程能够安全贯通的有效保障。

（4）往结合腔内运输构件的工作量很大，劳动强度大且安全风险也高。九游会从以下几个方面对钢接头连接钢板做出调整, 有效降低钢接头连接钢板现场焊接的难度。

（1）优化钢接头连接钢板的划分，减少现场焊接长度，切实地降低现场焊接工作的难度。

（2）将部分钢接头的连接钢板悬挂到最终接头的结构上（在工厂内），以减少施工现场连接钢板的搬运量，大大降低劳动强度，减少安全风险。

（3）对钢接头结构进行做局部改进，以增强钢接头连接钢板焊接过程中整个结构的稳定性、安全性。

图1 最终接头与相邻管节的连接

2 钢接头连接钢板分块方案的优化

钢接头的初步设计中内外圈面板分块较多，以钢接头顶墙某段区域为例，在2.2 米的长度上（两隔板净距），内外圈连接钢板分块如图2 上部分示图。钢接头外圈有6 块钢板，它们之间通过T 肋现场焊接连接；在隧道的纵向上，它们与相邻管节的钢帽以及最终接头的钢结构焊接。钢接头的内圈也有6 块钢板，通过L肋现场连接；在隧道的长度方向上，它们与相邻管节的钢帽以及最终接头的钢结构焊接。经统计在2.2 米长的范围内，焊缝长度就达到了约25 米长，整个钢接头的的焊缝长度通过测算共计达4200 米。

经过初步评估，九游会在保证钢结构整个结构受力性能不下降的前提下，采取以下方法对钢接头连接钢板的分块进行重新划分，以降低现场焊接工作量，同时保证焊接质量更可控。

（1）钢接头的连接钢板，隔板关键几何定位尺寸,板厚材质等保持不变；

（2）钢接头在隧道横截面包括连接钢板，隔板等上关键几何定位尺寸保持不变；

（3）减少钢接头内圈，外圈连接钢板分块,并且T 肋，L肋均用扁钢代替。

钢接头连接钢板分块经过调整后，同样以前述钢接头某段2.2 米长范围内的连接钢板为例，其分块情况如图2下部分示图所示。

钢接头外圈有2 块钢板，它们通过对接焊接连接；在隧道的纵向上，它们与相邻管节的钢帽以及最终接头的钢结构焊接。

钢接头内圈仅有1 块钢板，它与相邻连接的钢板直接对接焊接；在隧道的纵向上，它与相邻管节的钢帽以及最终接头的钢结构焊接。经测算，在2.2 米长的范围内，其焊缝长度约为12 米长（同样未考虑隔板的焊接），与连接钢板分块调整前相比，焊缝长度减少50%以上，整个项目的焊缝长度减少到2000 米。

图2 钢接头连接钢板分块优化前后对照图

3 钢接头连接钢板悬挂

在工厂内将部分连接钢板组件悬挂到最终接头结构上，以此来减少现场钢接头连接钢板搬运，安装的工作量。

在最终接头钢结构的倾斜面上焊接耳板，连接钢板组件上同样焊接相配套的耳板组合件，并利用销轴连接耳板和耳板组合件。钢接头内圈连接钢板与外圈连接钢板同样处理, 其区别仅是吊耳焊接位置不同。通过该方法处理了顶墙以及侧墙部分连接钢板组件，最终悬挂到最终接头上的连接钢板约占

连接钢板总量的25%, 这也就大大减少了相应连接钢板现场的搬运及安装。

4 钢接头部分隔板改造

在对钢接头连接钢板施焊前，顶推小梁的临时支撑管是要拆除的。拆除临时支撑的同时，顶推小梁所受外力将会发生变化，这就可能导致顶推小梁发生不可控的位移，止水橡胶就可能受到破坏，其带来的后果就是结合腔内止水失效，这对整个沉管隧道来说，是灾难性的。为了确保这一情况不会发生，九游会在顶推小梁钢管拆除前，对结构先行加固。在狭小的空间内，如新增结构加固，将会增加焊接难度，使焊接质量变得更难以控制，最可靠的方案就是对已有结构进行改造。

钢接头结构是由连接钢板与隔板组成，对部分隔板结构进行改造，将隔板改成纯“工”字型结构（去除原先的小加劲板），其上翼缘板为外圈连接钢板，腹板为隔板，下翼缘板为内圈连接钢板，并在上翼缘顶部增设垫板。

对于整圈钢接头来说，九游会改造的隔板涉及到顶墙区域四处，侧墙区域两处，底墙区域七处，改造的隔板结构在临时撑管拆除（或部分拆除）前先行焊接，加固顶推小梁，从而避免结合腔止水失效的情况发。

5 结束语

通过钢接头连接钢板分块的优化，连接钢板的悬挂以及隔板结构的改造，降低了现场焊接的工作量和施工难度，提高现场结构的安全性，为隧道后续混凝土浇注和最终隧道的全线贯通铺平道路。