三角閘門制作安裝關鍵施工技術研究

陳 飛 （安徽水利開發有限公司，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

三角閘門是由左、右各一扇繞豎軸轉動啟閉的三角形門體構成的船閘閘門，主要由門葉、桁架、端柱、運轉件（底、頂樞）、止水及預埋件（底檻及側止水）等幾部分組成，以其能在動水中啟閉并能承受雙向水頭而得到了廣泛應用。三角閘門結構復雜，具有較強的空間特性，其安裝質量關系到船閘是否能夠正常工作，對水利工程有著重要的作用。

1 工程概況

引江濟淮工程是我國172 項節水供水重大水利工程之一，也是集供水、航運、生態于一身的民生工程。工程以城鄉供水和發展江淮航運為主，結合農業灌溉補水、改善巢湖及淮河水生態環境、排澇等綜合利用，是跨流域、跨省的重大戰略性水資源配置工程。

兆河樞紐是引江濟淮工程西兆河輸水線路的主要控制工程，規劃設計主要建筑物包括節制閘和船閘。其中兆河節制閘已于2013 年建成并投入使用，為滿足航運規劃，本次初步設計擬新建兆河船閘，兆河船閘為單級船閘，等級為Ⅲ級，閘室尺度為250.0m×23.0m×5.2m（長×寬×門檻水深），按1000t 級標準進行建設。船閘金屬結構主要由閘首工作門（三角門）、閘首檢修門、輸水閥門、浮式系船柱、門槽埋件及啟閉設備等組成。船閘閘門采用空間網架式鋼制三角形閘門，底部設有鋼制浮箱，閘門沿閘室中心線對稱布局，上下閘首閘門弧形面板均朝引航道側，液壓啟閉機平水啟閉。上下閘面板曲率半徑12390mm，閘門高度11720mm；單扇重130.93t，上下閘首總重523.92t。

2 三角閘門制作關鍵施工技術

2.1 弧形胎架的搭設

門葉制造在搭設鋼弧臺上進行，門體最終外形尺寸的形成（如弧度曲率、設計半徑、弦高等）均以其為依據。因此，弧臺胎架的搭設是施工中重要控制內容。

根據圖紙設計的曲率半徑，進行弧臺調整，考慮閘門直徑向方向變形，弧臺調整時，應放大曲率半徑，弧臺曲率半徑r臺=2‰r門+r門，結合施工條件加以修正，r門為設計門體曲率半徑?；∨_曲率調整后，用經緯儀測出弧臺的橫向軸線，并做好標記。

以堅實地基為基礎，設置胎架支撐柱，布置密度為橫向間隔1000 mm，縱向間隔與主梁間距對應。

支撐柱上端面加設水平聯系桿并用水準儀找平，其水平誤差≤±1 mm。

根據面板彎曲的圓弧標高，用水準儀橫向移動確定各個節點的標高，保證標高誤差≤±1 mm。

胎架制作完成（圖1）后，進行門葉的拼裝制造。

圖1 胎架支撐標高示意圖（單位：mm）

2.2 端柱制造

三角門端柱為金屬板材組合的鉚焊件，整體可認為是細長桿結構。由于其長度長、焊縫多、控制制造難度較大，如何預防構件焊后變形是關鍵控制點。

根據圖紙尺寸，放足大樣，長料用數控火焰切割機下料、短料用剪板機下料，長度方向應放足余量，以40 mm 厚鋼板和20 mm 厚鋼板兩種不同厚度的腹板焊接時采用斜坡型坡口，斜坡段由40 mm 厚度漸變至20 mm 厚，長度80 mm，坡口使用龍門刨床加工，對接焊縫為一類焊縫。

端柱在拼裝應在平臺上進行，兩側翼緣預彎，腹板對接，端柱背面中間立板與翼緣板拼焊成梁系，頂底支座板需待整體焊接成形矯正后最后組裝焊接。

在點焊的基礎上，對端柱進行焊接，焊后需對端柱進行整形。采用錘擊、液壓千斤頂和油壓機等冷矯形對局部彎曲部位進行校正，端柱制作完畢后，安裝限位板，對其與桁架連接部位劃線，打好樣線，以便總拼裝。

端柱整體結構焊縫數量多，焊接位置相對集中。端柱焊接完成后采用振動時效省級工法關鍵技術（工法編號為AHGF99-10）進行消應力處理。

2.3 空間桿系制作

三角門的空間桿系主要由頂桁架、底桁架、中桁架、豎架、自重桁架、斜片桁架等構成。其桁架系是一個由鋼球與鋼管連接的立體空間結構，在這個立體空間里放大樣需要每個平面內的桿件所在的正面視圖并計算桿件實長及劃出桿件端部的相貫線形態。驗證管件尺寸與空間位置最好的辦法是進行桁架的三維建模，反映構件實際空間組合狀態，檢查構件情況，從而更好的指導施工人員的下料、拼裝工作?？臻g桿系中，球一球連接型桿件兩端都是平直頭，這類桿件劃線后，和球—面型及球—管型連接桿件的端頭均用數控相貫線切割機進行下料，并對坡口進行加工，并控制好桿件的長度；管—管型連接桿件劃線時注意保證桿件的長度，在管件上做好方向線，控制好桿件兩端相貫線切口的角度。

3 三角閘門安裝關鍵施工技術

3.1 安裝測量放樣

測量放樣是安裝工作的第一步，也是三角門安裝工作中最重要的工作環節之一，閘門安裝位置及高程是極為重要的，安裝基準點的準確與否，是后續安裝質量好壞的關鍵。安裝控制點的測放誤差控制在0.5 mm（見圖2）。

圖2 兆河船閘三角門測量放樣基準線

圖3 桿件制作3D下料

3.2 頂底疏安裝

兆河船閘三角門頂底樞是整個建筑安裝的主要控制件之一，主要承受門扇自重及水壓差產生的水平推力。在安裝過程中，要特別注意保證底樞的精確位置，使其在移動過程中所造成偏差值盡量減少，與此同時，要保證同一閘首左右兩扇門的底樞間距和相對高程差等安裝精度符合設計及規范技術要求。

三角門底樞裝置最大吊裝單元是底樞拉桿座及預埋件組合件（約3248.3 kg），其次是底樞承臺（850.0 kg）。頂樞裝置最大吊裝單元是甲、乙拉桿座及預埋件組合件（1058.0 kg），其次是調節拉桿組合件（1209.8 kg）。根據現場施工環境，頂、底樞部件安裝采用25 t汽車吊裝就位。底樞裝置安裝的關鍵是底樞承臺與蘑菇頭的調整定位。底樞承臺測量放樣的基礎板上安裝。蘑菇頭的安裝在底樞座二期混凝土澆筑后進行。頂樞拉桿座高程以底樞承臺實際高程為基準，根據閘門端柱頂底樞支座實際尺寸進行修正，確保拉桿支座上耳板之間保留5 mm的間隙，以適應門體下垂變形。

船閘底樞安裝時，以轉動中心來控制底樞座的位置。計算出尺寸后，在底樞座上用圓規放樣得出縱、橫中心線。復核門龕邊線閘及孔中心線，確認復核無誤后以轉動中心為交點在閘底板上畫出縱向和橫向中心線，然后在這兩條中心線上各架設一臺經緯儀，調整使閘底板的中心線與底樞座上的中心線重合，待高程也調整到設計平面后將水平儀放置在底樞承臺加工平面上，分別以縱向、橫向兩個方向進行觀測，待精細調整完畢，復測中心線及高程，達到規范的要求以后，將底樞座與一期錨筋相連并焊接牢固，二期混凝土澆筑前后，均需對底樞座復測。為了保證安裝精度，主要檢測項目安裝允許偏差見表1。

表1 底樞安裝允許偏差表

頂樞拉桿的安裝高程應根據門葉的實際高度來確定，在實際安裝過程中，為了滿足拉桿中心線交點的垂線與三角門轉動中心重合的要求，需要先安裝好底樞座，并以底樞中心為基準，用經緯儀將縱向橫向中心線及拉桿中心線引至頂樞平臺處，以拉桿中線延長線交匯點（即旋轉中心）確定頂樞拉桿座軸孔中心，以拉桿座軸孔中心向后移動550 mm，做拉桿中心線垂直線，定位拉桿座后平面位置，頂樞拉桿座高程由制作完成后的端柱實際尺寸確定。

3.3 端柱安裝

頂底樞二期預埋件混凝土澆筑凝固達到設計要求后，對左右側頂、底樞再復核一次中心距、同軸度，確定準確無誤后，進行閘門端柱安裝。在廠內將頂樞支座和底樞支座裝配在閘門端柱上，其同軸度偏差控制在0.5 mm 以內，運至現場復核無誤后，用汽車吊將閘門端柱吊起，移至已安裝好的頂、底樞位置，就位后，檢查調整兩頂樞中心距及到中心線距離的偏差，符合規范要求后報監理工程師驗收，驗收合格后，進行閘門安裝。

3.4 門葉安裝

①總拼裝支承臺布置

在門體底止水座板底部側封羊角、門葉中心、中封羊角處設置3 個臨時鋼支承平臺，浮箱縱隔板處設2 個支承點，鋼制平臺支承強度須滿足門葉組裝過程中不移位、不沉降。

②閘門與桁架安裝

上下閘首閘門門葉按工藝要求分段，分為上、中、下3 節，閘門桁架在現場組裝成下右片、下左片、上右片、上左片，其余為現場拼裝構件。

第一步：為了方便汽車吊操作，將汽車吊停放于上閘首左側，距離閘門吊裝中心點約10 m。在停放過程中，需保證汽車吊的旋轉不受阻礙，打開支腳確保汽車吊的穩定性和安全性。在支腳下方的底板上放置1 m×1 m 鋼筋混凝土支墩，上放鋼板，將汽車吊支撐平衡，豎立臂桿。將吊鉤旋至閘室內右側，放置于門體吊點中心位置，閘門梁格上需提前設置的兩個臨時吊點，用2 根鋼絲繩和高強卸扣與臨時吊點連接；另需一根鋼絲繩與手拉葫蘆連接，用高強卸扣將手拉葫蘆鏈鉤與設置在節點的吊點連接，吊鉤與鋼絲繩的另一端連接。檢查無誤后，在閘門站立位置墊枕木作防護。開始在閘室平地模擬吊裝位置試吊，將閘門提離地面約20 cm，觀測吊機工作狀況，確認安全無誤后，開始正式吊裝閘門。隨著汽車吊吊鉤向上起吊時，直至三角閘門直立起來后松鉤。先將閘門吊豎起來，如發現有中心偏差，用手拉葫蘆進行找正，將閘門向左旋轉到安裝位置，放在預先設置的支承臺上，就位并與下節桁架固定，面板側與邊封一期埋件連接加固。

第二步：用同樣方法起吊中節門葉與下節門葉連接，并將中節門葉與邊封一期埋件連接加固。

第三步：最后用同樣的方法吊起上節門葉與中節門葉連接，并與側封水一期埋件連接，就位并拼裝加固完畢后，吊上桁架，與端柱連接。

上閘首左側吊裝結束，吊機移位轉至右側相對位置，吊右側桁架與閘門，待焊接矯正，調試結束，吊裝其它附件。

3.5 門體焊接

閘門分段連接，上下段門體吊裝就位結束，復查各部尺寸合格后，用臨時支撐固定門體，要求牢靠。面板側焊縫長、焊道多、焊接收縮量大，除了嚴格按工藝焊接外，可采用面板內傾的反變形來抵消焊接收縮變形，同時加強對焊接過程門體形位尺寸變化觀察，發現偏差及時糾正，確保焊接變形在控制范圍之內。

①焊接要求

采用CO2氣體保護焊，焊絲直徑Φ 1.2 mm，焊接電流控制在200～300 A。局部可采用手工焊，Φ3.2～4 mm 的堿性焊條E4316，如端柱與桁架聯接部位。為控制變形，拼裝過程中的輔板、固定板焊后拆除。焊接過程中，采用偶數焊工對稱焊接。焊接前，進行定位焊接。焊接間距40～50 mm，焊接長度20～30 mm。焊腳尺寸不大于正式焊縫的1/2，定位焊接電流略大于正常焊接電流，但不能形成焊瘤。清理焊道兩側20～30 mm 范圍內的鐵銹及殘渣，露出金屬光澤再進行焊接。需扣縫的焊縫，打磨去除滲碳層，露出金屬光澤并檢查焊縫內有無缺陷再焊接。面板對接縫為II 類焊縫，焊后進行UT 檢測。定位焊間距200～300 mm，焊長60 mm，焊腳長度5 mm。

②焊接順序

端柱與頂底桁架間的加強筋板先焊接，后焊主焊縫；下桁架、下斜桁架、上斜桁架、上桁架與閘門的筋板先焊接，后焊主焊縫；空間桁架各節點先焊筋板焊縫，后焊主焊縫；面板焊縫先焊縱橫梁焊縫，后焊對接焊縫。

③焊接檢驗

根據圖紙要求及工藝要求，進行外觀檢查，飛濺焊渣清理干凈。對I、II類焊縫圓滑過渡，避免產生咬邊，控制對接焊縫余高，角焊縫焊趾要圓滑過渡。

4 BIM技術在三角門施工中的應用

4.1 制造階段

三角門制造的難度主要在空間桿系的制作，除頂、底桁架外，其他桁架在AUTOCAD 軟件中無法直接標注出實際的尺寸，驗證管件尺寸與空間位置最好的辦法是進行桁架的三維建模。球與桿的大小、位置、連接方式等都以三維模型的形式呈現，模型可以指導制造環節出現的問題并予以分析解決，制造過程中充分利用模型信息，對板、桿、球鉸點、梁、柱等進行精準下料與編號，可有序轉入下道工序，保證三角門制造的質量和工期。

4.2 安裝階段

進入安裝階段，利用BIM 技術可模擬船閘工況，使三角門啟門和閉門可視化，對分節的閘門進行模擬安裝，按次序進行組拼，檢驗好的構件組裝成總裝用的各個塊單元，對各個塊單元留有數字信息，無需按傳統方式在工廠內部試組裝，對空間復雜的構件留有足夠的長度去現場修配。

三角門的安裝順序為放樣→預埋件安裝→承軸臺安裝→頂、底樞安裝→端柱安裝→門葉、桁架組裝焊接→工作橋安裝→浮箱氣密性試驗→閘門防腐→止水安裝（中封止水、底止水及側止水）→側止水埋件適配安裝→與液壓啟閉機無水聯調→充水試驗→與液壓啟閉機聯動調試（有水調試）。引入BIM 技術用三維動畫來演示（如圖4-圖6 的門葉分段3D 安裝分解圖），利用BIM 施工模擬及三維漫游等多方展示，完成技術交底，不管是業主還是一線工人，都可以更直觀地了解復雜的施工點和工藝，有效提高項目各人員之間的協調溝通效率。

圖4 底片浮箱段門葉3D安裝

圖5 中片門葉3D安裝

圖6 上片門葉3D安裝

5 結語

本文通過引江濟淮工程（安徽段）兆河船閘金屬結構制造及安裝工程為實例，介紹了三角門制作和安裝過程中的關鍵施工技術，運用BIM 技術將平面圖紙變成三維模型，制造安裝的可視化，使工程技術人員、施工人員對三角門的制作和安裝有充分的認識和正確的理解，在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮了重要作用，最大程度的保證船閘工程的施工質量，為通航的船舶保駕護航。