第4章《城市地下空间建设新技术》沉箱法施工

城市地下空间建设新技术内蒙古工大岩土工程有限责任公司张振国全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材4.1概述4.2技术介绍4.3工程应用4.4小结第4章现代气压沉箱工艺与施工技术4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理工法原理：在沉箱下部设置一个气密性高的钢筋混凝土结构工作室，并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无人化远程遥控挖土排土，箱体在本身自重以及上部荷载的作用下下沉到指定深度后，在沉箱结构面底部浇筑混凝土底板的一种地下工程施工方法。压缩空气4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理工作室在地面上完成构作物的结构工作室工作室这个原理适用于沉箱工作室4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理沉入地底下后，水就涌入了工作室4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理作业室空气压力等于外水压力，施工才可能进行。压缩空气4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理突出优势：利用气体压力平衡箱体外水压力，沉箱底土体在无水状态下进行无人化远程遥控开挖，通过远程监视系统，沉箱在下沉过程中可以直接辩别并较方便地处理地下障碍物，同时避免了坑底隆起和流砂管涌现象。相比常规的沉井施工方法，智能化气压沉箱施工方法由于气压反力的作用，箱体容易纠偏和控制下沉速度，可以防止突沉、超沉，且周边地层沉降小，对环境影响小；相比地下连续墙施工方法，可显著减少围护结构的插入深度，具有可观的经济性。4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理还有．．．20cm左右水中挖土天顶移动式沉箱挖土机不发生漏气水位连动型压力自动控制装置微调作业气压（可以10cm的精度调整）作业气压设在只比肋脚底部低一点点的地方（水头20cm＝０．００２MPa左右）气压沉箱工法因为延垂直方向下沉结构体，所以能防止漏气引发的事故。气压沉箱的压气（垂直方向）4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理双头碎石机余土宽度的调整软土硬质旋臂刀4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理适用范围：智能化气压沉箱施工技术可适用于软土、黏土、砂性土和碎(卵)石类土及软硬岩等各种地质条件，适合在城市建筑密集区，周边环境复杂，地表沉降要求高，对周边建筑保护力度大的区域进行深基坑建设，以及旧城改造区域障碍物较多时采用，并可以向大深度、大面积的方向发展，满足城市地下空间的开发需求。目前开挖深度可达40m。适用范围：智能化气压沉箱施工技术可适用于软土、黏土、砂性土和碎(卵)石类土及软硬岩等各种地质条件，适合在城市建筑密集区，周边环境复杂，地表沉降要求高，对周边建筑保护力度大的区域进行深基坑建设，以及旧城改造区域障碍物较多时采用，并可以向大深度、大面积的方向发展，满足城市地下空间的开发需求。目前开挖深度可达40m。4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理桥梁基础竖井电力设施垃圾坑地下停车场泵站・调节池隧道防汛堤地下鉄駅舎气压沉箱4.1概述4.1.1气压沉箱工法的工艺原理气压沉箱基础：沉箱形似有顶盖的沉井。沉箱基础是一种较好的施工方法和基础型式。当沉箱就位后，将压缩空气压入沉箱室的内部，排出存在于工作室中的水，施工人员在箱内进行挖土施工，并且通过升降筒和气闸，把弃土外运，从而使沉箱在自重和顶面压重的作用下逐步下沉至设计标高，最后用混凝土填实工作室。4.1概述4.1.2气压沉箱工法与沉井工法的区别沉井基础：是以沉井作为基础结构，将上部荷载传至地基的一种深基础。沉井是一种四周有壁、下部无底、上部无盖、侧壁下部有刃脚的筒形结构物。沉井通常用钢筋混凝土制成。它通过从井孔内挖土，借助自身的重量来克服井壁的摩阻力下沉至设计标高。沉井基础的特点是埋深大、整体性强、稳定性好，能承受较大的竖向作用和水平作用。沉井井壁既是基础的一部分，又是施工时的档土和挡水结构物，施工工艺也不复杂。4.1概述4.1.3气压沉箱工法的工艺流程开始装配地坪的整平胚模作业作业室建设舾装沉降挖掘建造主体地下混凝土舾装解体沉箱间连接完成4.1概述4.1.3气压沉箱工法的工艺流程砂土胚模肋脚金属物・垫板整平沉箱装配所用的地坪，建砂土胚模（浇注工作室底板混凝土时的模板支架）。肋脚金属物砂土胚模4.1概述4.1.3气压沉箱工法的工艺流程工作室底板工作室底板在地面上，建造最初的底板结构（能确保沉箱施工的刚性所需的高度位置）4.1概述4.1.3气压沉箱工法的工艺流程人舱材料舱塔吊挖掘开口材料舱人舱设置用于搬运施工资材的塔吊、用于搬运砂土的材料舱、作业人员出入涵箱的人舱、舾装设备等。4.1概述4.1.3气压沉箱工法的工艺流程沉箱铲车地面远程操作室远程操作盘无人挖掘机挖掘・搬出箱内砂土的同时，控制沉降，将结构体沉至所规定的深度。4.1概述4.1.3气压沉箱工法的工艺流程舾装解体回填水荷载地下混凝土沉至所定深度后，在工作室内填入地下混凝土，使其与结构体一体化。然后，搬出设备，进行回填。4.2技术介绍4.2.1气压沉箱工法的功能系统气压沉箱工法主要设备系统包括：（1）遥控沉箱液压挖机研制；（2）远程遥控系统研制；（3）液压升降出土皮带机研制；（4）物料出入塔的研制；（5）人员出入塔研制；（6）螺旋出土机研制；（7）地下（挖掘操作）监视系统；（8）供排气系统；（9）3D地貌显示系统；（10）移动氧舱；（11）其它辅助设备。4.2技术介绍4.2.1气压沉箱工法的功能系统气压沉箱内部主要设备：（1）物料塔（2）人员塔（3）螺旋出土机（4）遥控挖机、（5）皮带出土机（6）地下监控系统设备（7）地下照明（8）通讯设备4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术气压沉箱存在两级系统：（1）地下开挖卸载的工作系统（2）地面的管理与操作系统（3）要进行两级的无缝对接：对地下要有快速的识别——地貌与信号监测系统4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术常规气压沉箱的地下地上交流存在的问题：现代气压沉箱施工过程中无人进箱，管理人员仅通过摄像机传来的图像来观察沉箱工作情况，不能对沉箱工作室内地貌挖掘情况进行有效测量，也无法形成真实感的沉箱工作室场景。同时挖掘机操作人员是通过观察摄像机二维图像来操纵挖掘机，操作人员缺乏身临其境的感觉。其次在多部挖掘机协同作业，在协同作业的过程中，挖掘机容易发生碰撞。4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术3D地貌与信号监测系统：可对沉箱工作室内地貌挖掘情况进行有效测量和三维显示，并有效警示多部挖掘机协同作业中的相互碰撞。系统主要包括：（1）系统硬件；（2）三维数据；（3）3D地貌建模研究与实现；（4）数据库系统。4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术系统可实现的主要功能：（1）利用激光扫描技术，开发了一套三维激光扫描系统，该系统可适用沉箱环境，实现沉箱3D地貌数据扫描功能。（2）研究开发了气压沉箱3D地貌建模系统，该系统使用OpenGL实现了3D地貌的实时建模.并可实时测量沉箱工作室地面任意处的挖掘深度。（3）采用倾角传感器，实时测量沉箱体的X和Y轴的倾角值，利用此值实时测量沉箱体的四角高差，实现了对沉箱体姿态的实时监视。（4）采用激光测距仪等传感器实时测量挖掘机的位置，实现了挖掘的实时位置显示和挖掘机避碰智能语音报警。（5）开发了3D地貌显示系统、数据处理系统、控制系统等一整套软件。（6）该3D地貌与信号监测系统硬件软件经过工程应用检验了其成效，为工程的顺利实施提供了信息保证。4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术沉箱地貌三维建模流程图沉箱地貌三维建模流程4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术云图像及深度测量4.2技术介绍4.2.2地貌与信号监测技术三维面及测量4.2技术介绍4.2.3气压沉箱结构设计技术（1）沉箱设计要点沉箱结构设计要点：重点要解决强度、变形、稳定等安全性；沉箱设计主要内容：沉箱结构尺寸确定、下沉稳定性分析与结构内力变形分析、沉箱支承、压沉及自主纠偏一体化系统。需要解决的问题：（1）沉箱结构设计；（2）下沉稳定性计算与抗浮验算；（3）结构分析；（4）沉箱支承、压沉装置的设计与研究；（5）对施工反馈的设计修正与总结。4.2技术介绍4.2.4现代气压沉箱工艺与施工技术总体工法涉及到的专项技术包括：（1）现代气压沉箱施工工艺；（2）气压沉箱下沉控制技术；包括气压自动调节系统、出土控制系统、支承及压沉系统及相互间的协调系统；（3）气压下沉箱混凝土自密实封底技术；（5）高气压环境下作业的技术；（6）编制现代新型气压沉箱施工规程，其中包括高气压环境下的操作规程等。4.2技术介绍4.2.4现代气压沉箱工艺与施工技术工法涉及到的专用装备：自动挖机4.2技术介绍4.2.4现代气压沉箱工艺与施工技术工法涉及到的专用装备：监控、遥控挖机系统4.2技术介绍4.2.4现代气压沉箱工艺与施工技术工法涉及到的专用装备：螺旋出土机4.2技术介绍4.2.4现代气压沉箱工艺与施工技术工法涉及到的专用装备：医疗减压舱4.3工程应用——上海市轨道交通7号线12A标南浦站~耀华站中间风井工程4.3.1工程概况本工程为浦江南浦站～浦江耀华站区间的一个中间风井工程，位于原上海浦东钢铁（集团）有限公司内材料场，风井主体为全埋地下四层结构，平面外包尺寸为25.24m×15.6m，风井顶板以下高度为27m，结构顶板面标高3.938m。主体结构采用气压沉箱施工工艺，总下沉深度29.062m。工程自沉箱首节制作开始，历时近10个月完成封底顺利竣工，情况可控良好。沉箱下沉平稳连续、有关平面与标高偏差控制均好于沉井；从对沉箱本体及周边环境的监测反馈表明，沉箱本身以及周边环境在整个施工过程中完全处于安全状态，尤其是周边建构筑物的沉降量明显低于围护明挖。4.3工程应用——上海市轨道交通7号线12A标南浦站~耀华站中间风井工程4.3.1工程概况气压沉箱技术有效解决了常规施工方法难以突破的应对大深度与管涌、流砂及承压水等不利条件的技术难关，其在周边环境影响上对城市密集建筑群区的地下空间开发有着不可替代的优越性和竞争力；而且，采用了遥控技术、计算机技术、自动控制、生命科学等高新技术集成的现代无人化可遥控气压沉箱技术，符合“以人为本、追求环保”的施工新理念，为城市大深度、大规模的地下空间开发提供了新思路和新出路。该技术的突出优点是对周边环境影响小，能最大程度地保障城市环境和居民生活的安全。4.4小结