崇明越江通道江中大直径风井(江中人工岛)施工研究可行

上海市科学技术委员会科研计划项目课题可行性方案（2003版）课题名称江中大直径风井(江中人工岛)施工技术研究起止年月2004年8月～2006年8月依托单位上海建工（集团）总公司通讯地址上海市福山路33号联系电话63216183邮政编码200020课题责任人蔡忠明手机[e-mail]2004年6月20日订—1—填写说明一、本提纲供编写上海市科学技术委员会科研计划项目课题可行性方案使用。二、课题责任人应根据本提纲要求，逐项认真编写，表达要明确严谨，字迹要清楚易辨。外来语同时用原文和中文表达。三、申请市科委科研计划项目课题资助经费在20万元人民币及以下时，毋须填写表2至表6。四、课题可行性方案编写请使用A4纸双面印刷,请不要采用胶圈、文件夹等带有突出棱边的装订方式，请采用普通纸质材料作为封面。五、报送市科委书面材料一式八份（特殊情况，另定）和电子文本一份。电子文本通过网络递交。课题申请人必须确保书面材料和电子文本的一致性。六、本提纲制订单位是上海市科学技术委员会。申请市科委科技计划类型0901集成电路设计专项06技术标准专项11人才培养计划02中药现代化专项07世博科技专项12国际合作计划03纳米技术专项08中小型企业创新资金13国内合作计划04光技术专项09科技攻关计划14环境条件计划05专利二次开发专项10基础性研究计划15其他—2—单位（企业）基本情况表单位（企业）名称上海建工（集团）总公司注册地上海市浦东福山路33号单位（企业）代码[e-mail]通讯地址上海市福山路33#邮编200120单位（企业）法人代表情况姓名性别身份证号最高学历任现职时间电话蒋志权男310103195011262031研究生2001年58885666-1801联系人蔡忠明电话63232052传真63216183开户银行建设银行上海第二支行帐号055025-00233017268信用等级AAA单位隶属0201.中央单位02.地方单位注册登记类型0101.国有企业06.外商投资企业11.高等院校02.集体企业07.有限责任公司12.研究院所03.私营企业08.股份有限公司13.社会团体04.联营企业09.港、澳、台商投资企业14.其他05.股份合作企业10.国家机关单位职工总数42192人大专以上5351人研究开发1772人单位中层以上管理人员总数1535人其中大学本科以上人员数2168人企业上年末财务情况，新企业填写申报前一月的财务情况企业注册资金103000万元其中外资（含港澳台）比例0％企业总收入2300278万元企业净利润18982万元产品销售收入1391274万元企业创汇总额0万美元总资产2179166万元总负债239530万元企业特性8□□□□(请将下列符合企业情况的代码填入空格内，最多填5项)0．国家科技产业化基地内企业5．科研院所整体转制企业1．认定的高新技术企业6．国家高新区内的企业2．高等院校办的企业7．孵化器内的企业3．科研院所办的企业8.其他4．海外归国留学人员办的企业单位需要说明的问题：申报课题技术领域8□(请将下列符合领域情况的代码填入空格内，最多填2项)1．电子与信息3.先进材料5.资源与环境7.绿色农业2.生物、医药4.光机电一体化6.新能源、高效节能8.其他高新技术—3—课题可行性方案提纲：一、趋势判断和需求分析国内外现状、水平和发展趋势（含知识产权状况和技术标准状况）；经济建设和社会发展需求；科学技术价值、特色和创新点。崇明越江通道工程江中2号通风井拟建于瑞丰沙，通风井在施工阶段作为盾构检修井。由于崇明越江隧道采用大直径盾构掘进，直径达14.84m，决定了该通风井平面面积超过1500m2；根据盾构线型初步设计，盾构在该风井处中心深度标高约-29.60m，而且瑞丰沙现在的标高不超过0.40m，在水面一下，对施工造成了一定的难度。所以，2号通风井必然是一个超深超大面积的深基础工程。综合当今地下工程的施工水平，2号井的施工方法可行的方案有三个：1.沉井方案；2.地下连续墙方案；3.气压沉箱法。而不论本工程采用上述何种方案，首先都要在瑞丰沙修筑围堰人工岛，两个目的：1.在2号井结构施工期间提供一个施工平台；2.作为2号井使用期间的防撞措施。人工岛的施工可以采用砂石堆砌筑岛，也可以先打围护桩作围堰，然后向内吹填砂。根据本工程的特点可采用大直径企口钢管桩作围堰，然后向内吹填砂的方案。考虑长江水流的冲刷影响，人工岛的形状采用62m×90m的椭圆形，长边顺水。对于本工程这样大的规模、气压沉箱工法(PneumaticCaissonMethod)是在其下部设置一个气密性高的钢筋混凝土结构工作室，向工作室内注入压力与刃口处地下水压力相等的压缩空气，使在无水的环境下进行挖土排土，箱体在本身自重以及上部荷载的作用下下沉到指定深度，最后在沉箱结构面底部浇筑混凝土底板的一种工法。该工法可用来施工桥梁深基础、港湾构筑物、地下水池、地下泵房、盾构工作井、污水处理设施、隧道等，在日本近年开始出现直接用气压沉箱来施工的隧道。一、国外发展历史与现状气压沉箱工法最早诞生在法国，1841年该国的一个煤矿竖井建设中应用了压气方法，使其下沉到水下20m。随后该方法在欧洲、北美得到了迅速推广和应用，如1869～1872年间，美国纽约修建的连接纽约与布鲁克林的布鲁克林桥（BroklynBridge）基础，1885年在法国巴黎修建的埃菲尔（Eiffel）铁塔的基础，以及1901年在美国纽约中心的曼哈顿修建的摩天大楼（sky-scraper）的基础等都是利用气压沉箱法修建的。日本在20世纪初期引入气压沉箱工法以后，在桥梁基础及地下工程实践上对该工法进行了一些技术革—4—新，使气压沉箱工法的技术水平有了进一步的提高。近年来日本开始将无人沉箱工法应用于施工实践中。所谓无人沉箱工法是通过机器人或机械手、水力吸泥机（带监视器）而不是人工在沉箱内开挖土体，避免操作工人在高气压下的作业，且可以全自动控制。最大深度达到90m（日本东京都中央区），最大面积达3150m2（日本首都高速道的彩虹桥）。二、我国气压沉箱工法发展历史气压沉箱工法在我国的应用最早也主要在桥梁基础上，1894年2月竣工的天津滦河大桥是我国最早采用气压沉箱法施工的铁路桥，该桥是在我国铁路工程先驱－詹天佑亲自主持下，在外国人屡筑屡塌的背景下，分析原因重新选址，采用“气压沉箱”法建造基础，沉箱刃脚嵌入岩石，基础全部用混凝土浇筑，墩身石砌，工程浩大，历时32个月建筑而成，为中国人争得了荣誉。1935年4月动工的杭州钱塘江大桥，是我国第一座自行设计的桥梁，由桥梁泰斗茅以升先生设计，主桥承包商为康益洋行(上海建工集团基础工程公司前身)，桥基即是采用气压沉箱，基础深达47.8m，工程历时不到二年半，于1937年9月通车。新中国成立后，上海建工集团基础工程公司在接收了康益洋行的四套沉箱设备的基础上，自上世纪50年代至60年代先后在北京、上海、四川、安徽、江西、黑龙江等地施工了十来个气压沉箱工程，具有丰富的工程实践经验。主要列举如下：—5—气压沉箱工法，利用气压平衡箱外水压力，沉箱底土体在无水状态下进行开挖，沉箱在下沉过程中能处理任何障碍物，施工中可以直接鉴定和较方便地处理地下障碍物，可直接观察到地基原形，不用灌注水下混凝土，质量比较可靠。但施工者需要在高压空气中工作，不但效率不高，而且对身体有害。自上世纪70年代以后的近三十多年，由于其在人力操作上的低效率、施工高成本以及对工人人身安全及施工管理上的风险，并随着其他特种地下工程施工技术如地下连续墙、灌注桩、盾构等等工法的快速发展，气压沉箱工法逐渐在我国应用越来越少进而趋止。三、经济建设和社会发展需求我国过去的气压式沉箱施工以人工为主,工人要在2～4个大气压下的地下作业室内进行挖掘工作,条件比较艰苦,又比较危险。工作效率低下，沉箱下部工作空间小、气压高、温度大、噪音大，因此在这种空间内工作，有压迫感、紧张感，由于减压顺序的控制不当容易患较严重的职业病(称为沉箱病)。国际上，尤其是日本，自进入上世纪60年代，为增强这种工法在深基础领域内的竞争能力，不断结合其先进的科学技术对该工法进行革新和改良，使其进入了无人化、自动化施工的时代，同时在沉箱病的防治上有了新的改进，编号工程名称平面尺寸（米）下沉深度（米）土质情况挖掘方式下沉起止日期1北京良乡601厂35#、36#水源沉箱工程圆形内径4.0外径5.235#6.9937#5.45细砂、中砂、砂砾、砂质粘土夹砾卵石全人工35#1957.5.8~1957.6.237#1957.5.17~1957.5.302富拉尔基重型机械厂（403厂）热处理车间沉箱工程37.8x21.3x29.526.5粘土、细砂、粗砂夹砾石全人工，砂压重助沉1957.8.28~1957.10.303淮南化肥厂水源工程泵房沉箱27.2x14.7x19.113.14粘土、细砂、砂质粘土夹砾石水力机械+人工掏刃脚1964.9.24~1965.2.154南昌七里街电厂水泵房沉箱工程17.3x14.8x18.9813.80淤泥、粉砂、砾砂、砾石水力机械+人工掏刃脚1965.4.27~1965.5.285上海651隧道工程（打浦路隧道）2号沉箱17.2x16.1x29.332软粘土水力机械+人工掏刃脚1965.4~1969.106原地铁04工程（衡山公园地铁车站）沉箱63.0x21.8x17.820.5软粘土水力机械出土，水压重助沉1965.10~1967.11—6—使得气压沉箱这一古老的施工技术得到了新生。随着城市开发建设的不断深入，城市土地资源越来越稀缺，城市地下空间的开发将越来越成为未来城市发展的趋势和主流方向。同时，土木施工的条件也变得越来越严峻，例如，在城市中心建筑物密集区开挖建设大深度地下空间，往往面临施工场地狭小、周围重要设施众多的情况；同时，地下施工在开挖时往往会引起地下水位的降低，周围地基的移动与下沉，严重时可能会引起周围地基的塌陷，给邻近地区带来比较严重的影响；另外，市区地铁、地下高速道路、共同沟以及竖井风井系统工程的施工往往受到各方面的限制。相比之下，气压沉箱工法在许多情况下能适应以上这些方面的需求，因而在工程中具有不可替代的竞争力及广泛的应用前景。与传统的工艺相比，气压沉箱工法在深基坑和地下结构工程方面具有诸多的优点：⑴气压沉箱的侧壁可以兼作挡土结构，与地下连续墙明挖法相比，气压沉箱工法减少了临时设施用地，可以充分利用狭小的施工空间资源。⑵由于连续的向沉箱底部的工作空间室内注入与地下水压力相等的压缩空气，因而可以避免或者控制周围地基的沉降以及发生流砂、管涌现象。⑶现代化的气压沉箱技术可以在地面上通过远程控制系统，在无水的地下作业室内实现挖排土的无人机械自动化，不会发生污水等工业垃圾，排除的土体也可以作为普通土进行处理。⑷相比沉井施工，可以较快的处理地下障碍物，使工程能顺利进行。⑸在市区狭小的地段往往用地形状复杂，在这种情况下可采用平面形状不规则的气压沉箱进行施工。⑹工作室内的压缩空气起到了气垫作用，可以消除急剧下沉的危险情况，保证了安全和施工质量。⑺气压沉箱利用气压平衡箱外水压力，作业空间处于无水状态，最大的好处是不需要对箱外高水头地下水及承压水进行降水和降压处理。⑻由于沉箱以气压平衡高水头压力差，相比一般的板式围护体系如地下连续墙、排桩等可以显著减少插入深度，并能有效起到反压作用，对控制承压水破坏有利，具有可观的性价比。对于上海这样的沿海软土地区，地基土强度低、地下水位高，且30m深处有较大的承压地下水的粉砂层存在，临界挖深20～25m，并且会遇到管涌、流砂及承压水等不利情况，用一般的沉井施工法难于保证安全，如用地下连续墙则施工费用较大且高承压水问题也较难处理，而且气压沉箱法的施工面积仅是地下连续墙的二分之一。可见，气压沉箱工法的经济效益社会效益是十分明显的。四、科学技术价值、特色和创新点随着我国经济建设的发展,综合国力的上升、上海城市化进程的加快，各类大深