（交通运输工程专业论文）海西湾港口气压沉箱施工新技术的探讨.pdf

摘要 由于气压沉箱施工法在深基础建设中有着诸多的优点而被越来越多的用于摩 天大楼、大跨度桥梁、大深度地铁站、地下油库、大型水电站、码头等设施的深 基础建设中。但因该工法所需设备昂贵，技术要求高，因此，在当今世界上，气压沉箱 技术仅为极少数发达国家所掌握。新时期，特别是上世纪九十年代以后，我国还没有 应用该施工方法进行深基础建设的工程先例，所以气压沉箱施工技术的研究、推 广和应用，是我国深基础施工技术发展中一项势在必行的工作。由于沉箱作业条 件差，对人员健康有害，且工效低、费用大，加上人体不能承受过大气压，沉箱 入水深度一般控制在3 5 米以内，使基础埋深受到限制；另外，人工在高气压下作 业，操作空间小，气压高、温度高、湿度大、噪音大，施工环境十分恶劣，施 工效率极低条件比较艰苦，安全性不高，并且可能会由于减压控制不当而引发沉 箱病，所以沉箱旌工技术在很多方面需要迸一步研究和探讨 论文对气压沉箱施工过程中的工程监测与试验控制、沉箱移动、沉箱安装和 沉箱封底等几个施工过程的主要方面进行了大量的调查研究，表明新技术在气压 沉箱施工过程中的应用能带来很大的经济效益和社会效益。本文研究以青岛海西 湾造修船基地：i l j i f 页岸码头工程为题，在调查分析国内外沉箱施工工程的基础上， 提出了新的施工技术，主要完成一下内容： 1 ) 在施工过程中加入了现代气压沉箱施工的环境监测，提出了对气压沉箱 施工的控制技术； 2 ) 沉箱的出坞、存放及拖运存放过程提出了新式气囊搬运技术； 3 ) 提出了气压沉箱施工的新型封底技术； 4 ) 最后，通过海西湾工程实例中对整个施工过程进行详细分析，并进行技 术总结，为以后沉箱工程施工中新技术的进一步研究打下良好的基础。 关键词：气压沉箱；深基础；工程监测与试验控制；沉箱移动；沉箱安装； 沉箱封；气囊搬运技术 a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g eo ft h ep n e u m a t i cc a i s s o nc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e o nd e e pb a s e c o n s 劬c t i o n ，i th a sb e e nm a d ei n c r e a s i n gm e o l lt h ed e e pb a s ec o n s t r u c t i o no fs k y s c r a p e r s ， w i d es p a nb r i d g e s ，d e e ps u b w a ys t a t i o n s ，u n d e r g r o u n do i ld e p o t s ，h u g ew a t e re l e c t r i c i t y s t a t i o n s d o c k sa n de r e b u t , b e c a m es u c ha b s t r u s et e c h n i q u er e q u i r e e x t o r t i o n a t e e q u i p m e n t sa n dh i g hl e v e lt e c h n o l o g y , o n l yf e wc o u n t r i e sp o s s e s so ft h ep n e u m a t i c c a i s s o nc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ep r e s e n t l y t h e r ew a se v e nn oc o n s t r u c t i o np r e c e d e n t w h i c h w a sb a s e do np n e 啦n a t i cc a i s s o nc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ef r o mt h ey e a r19 8 0 s oi t i sa n i m p e r a t i v et a s k t os p r e a d ，r e s e a r c ha n da p p l yt h ep n e u m a t i cc a i s s o nc o n s t r u c t i o n t e c h n i q u ef o rt h ed e v e l o p m e n to fd e e pb a s ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u em c h i n a t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sr e s e a r c ha n ds t u d ya b o u tt h ee n g i n e e r i n gs u p e r v i s i o n ， e x p e r i m e n t a t i o nc o n t r o l ，p n e u m a t i c c a i s s o nm o t i o n ，p n e u m a t i c c a m s o na s s e m b l y , 口n e 啪a t i cc a i s s o n b a c kc o v e ra n do t h e r sr e l a t i v e m a i na s p e c t sr e g a r d i n g t h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s t h et e x ta l s oe x p l a i n st h a tu p d a t e dt e c h n i cc o u l db r i n ge n o r m o u s e c o n o m i cb e n e 丘ta n ds o c i a lb e n e f i t t h e t e x tw i l lt a k et h eq i n g d a oh a i x ib a y s h i p b u i l d i n gb a s ec o n s t r u c t i o np r o j e c t a sas a m p l e ，o nt h eb a s eo fl n v e s t l g a t m g p n e 眦a t i cc a i s s o nc o n s t r u c t i o np r o j e c t si n s i d ea n do u t s i d ec o u n t r y , p u t sf o r w a r d e ra n u p d a t e dc o n s t r u c t i o nt e c h i n i c t h et e x ti n c l u d e st h ef o l l o w i n g c o n t e n t s ： 1 ) a p p l y i n gt h ee n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o no nm o d e mp n e u m a t i cc a i s s o n o nt h e p r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，p u t t i n gf o r w a r d e rn e w t h e o r yo fc o n t r o lt e c h n i cf o rp n e u m a t i c c a i s s o nc o n s t r u c t i o n 2 ) p n e u m a t i cc a i s s o nt e c h n i q u eu s e di nt h ep r o g r e s so fu n d o c k , d e p o s i t a n dt r a n s i t o fc a i s s o n 3 、l a t e s ts t y l ec o n s t r u c t i o nb a c kc o v e rt e c h n i q u eu s e d i np n e u m a t i cc a l s s o n c o n s t r u c t i o n 4 ) l a s t l y , a n a l y z i n gt h ee n t i r e c o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h eh a i x ib a ys h i p b u i l d i n g b 2 l s ec o n s n u c t i o np r o j e c ti nd e t a i l ，a n ds u m m a r i z et h ee n t i r et e x t ，t ol a yt h ef o u n d a t i o n f o r r e s e a r c hr e g a r d i n gn e wt e c h n i ca b o v e t h ef u r t h e rp n e u m a t i cc a i s s o nc o n s t r u c t i o np r o j e c t k e yw o r d s ：p n e u m a t i cc a i s s o n ；d e e p b a s e ；c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gw o r k sa n d r e s e a r c hc o n t r o l ；c a i s s o n s t y l em o t i o n ； c a i s s o na s s e m b l y ； c a i s s o nb a c kc o v e r ； g a s b a gt r a n s i tt e c h n i q u e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= ! 瀣酉渣渣旦氢匡远箍旌王堑整苤的拯过。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：盈里丕童 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：勿啦导师签名： 日期： 少年多月z ，譬日 海西湾港口气压沉箱施工新技术的探讨 第1 章绪论 1 1 沉箱基础的研究背景和工程意义 1 9 世纪初出现了以蒸汽机为动力的船舶，于是船舶的吨位、尺度和吃水日益 增大，为建造人工深水港池和进港航道需要采用挖泥机具以后，现代港口工程建 设才发展起来。陆上交通尤其是铁路运输将大量货物运抵和运离港口，大大促进 了港口建设的发展。 港口是具有水陆联运设备和条件，供船舶安全进出和停泊的运输枢纽。是水 陆交通的集结点和枢纽，工农业产品和外贸进出口物资的集散地，船舶停泊、装 卸货物、上下旅客、补充给养的场所。由于港口是联系内陆腹地和海洋运输( 国际 航空运输) 的一个天然界面，因此，人们也把港口作为国际物流的一个特殊结点。 随着国民经济的飞速发展，我国港口建设的规模越来越大，大型重力式码头的单 个沉箱重量已常达1 0 0 0 t 以上。 沉箱是码头结构形式之一，通过预制、托运、沉放、安装等工序形成码头实 体。相比之下，气压沉箱施工法在许多情况下能适应上述的特殊需求，因而在 工程应用中具有不可替代的竞争力及广泛的应用前景。 目前，沉箱施工技术应用已经在很大程度上，从不同的角度得到了发展，例如： 自2 0 世纪6 0 年代j a r l a n 提出开孔沉箱这一新型海洋工程结构，许多学者对 波浪与开孑l 结构的相互作用进行了大量研究，包括正向入射波与前板孔沉箱的相 互作用陆3 2 1 、正向入射波与多块透空直立板作用下的波浪反射和衍射问题p 3 1 、开 孔推板的造波原理和特性问题【3 4 1 、半无限长开孔防波堤的波浪衍射【3 5 1 、开孔栅拦 板对斜向波的散射问题【3 6 】等。 日本建造了外壁开孔的双圆筒防波堤、曲面沉箱消浪防波堤、迎浪面开孔的 半圆形防波堤等新型结构防波堤；加拿大在科莫湾建成了开孔沉箱防波堤兼作码 头，取得了良好的效果；我国秦皇岛港码头和大连港大窑湾港区部分泊位也采用开 孔沉箱结构。这些开孔结构均改善了港内的泊稳条件【3 0 1 。 1 。2 沉箱结构施工概述 沉箱既是地下工程的一种施工方法，又是地下工程的一种结构形式，广泛应 用于道路、桥梁、建筑、市政工程、港口、码头以及海上工程，被称为沉箱施工 第1 章绪论 法。沉箱按施工方法主要可分为开口沉箱和气压沉箱两种 j 。开口沉箱即沉井，作 为一种重要的地下工程工法，在国内应用较为广泛，为工程界所熟悉【6 j ，但国内对 气压沉箱的认识较少，而传统气压沉箱施工法在中国已经有许多施工实例，但是 自动化气压沉箱施工法在国内实际应用的第一个工程一上海地铁m 7 线浦江南浦 站一浦江耀华站盾构工程中间风井，目前已经成功完成下沉。 121 气压沉箱施工法原理 气压沉箱施工法是在沉箱底部设置一个高气密性的钢筋混凝土结构的工作 室，通过气压自动调节装置向工作室内注入压力与刃脚处地下水压力相等的压缩 空气，防止地下水渗入，作业人员可以在工作室内的无水环境下挖土排土，箱体 在自重、上部荷载以及控制用水重力的作用下下沉到指定的深度，最后在沉箱结 构底部工作室内填充混凝土的一种施工方法。该施工法可用来施工桥梁深基础、 隧道及其工作井、深大基坑、地铁车站、地下泵房等地下工程以及大型设备基础 等1 3 7 l 。 该施工法的原理如图11 所示，将水杯杯口向下铅直压入水中，由于水封的作 用水杯里的空气不会泄漏而被压缩体积缩小，同时将会有部分水进入水杯，其体 积等于空气被压缩后减小的体积。为了防止水进入水杯，可以从水杯顶部充入适 当的压缩空气，使杯口处的水压力与杯内的空气压力处于一种平衡状态。气压沉 箱施工法就是应用丁该原理，在沉箱最下端浇筑高2 o m 左右的气密性好、结构强 度高的水杯状的工作室，然后在工作室内挖排土，并保证在整个施工过程中工作 幽11 气压沉箱施工方法原理 f i g1 1t h ee o n s ”u c t i o n t h e o r yo f a i r p r e s s u r ec a i 女o n 海西湾港口气压沉箱雕工新技术的探讨 气压沉箱的下沉原理与沉井基本相同，是通过挖掘箱体底部的土质而下沉， 工作室主要在沉箱自重作用下下沉到设计深度。为了保证箱体正常下沉到设计深 度，必须在施工下沉阶段满足下沉力太于下沉阻力的条件即： w 矿 式中：w - 下沉力，w 2 呢+ 呒+ 睨； w c 为沉箱的自重：w 。为作用在沉箱上的水荷载、砂土荷载等；w o 为沉箱上 的竖井、模板、模板支护、气闸室、脚手架等安装设备的重力： w ，下沉阻力，矿= u + f + p ； u 为作用在沉箱上的上浮力，u = 工作室内工作气压沉箱底面积：f 为作用 于沉箱外壁的摩擦力：p 为刃脚及挖掘残留部分的地层反力。 气压沉箱基础主体结构构造如图1 2 所示，一般是由侧壁、隔壁、顶吊杆、工 作室顶板、内部充填混凝土、胸墙和止水壁等构成的。 闰12 气压沉箱主体结构构造 f i g 12 t h e m a i nb o d yc o n f i g u r a f i o n sc o n f o r m a t i o no f t h ea i r p r e s s u r ec a i s s o n 第1 章绪论 22 气压沉葙施工法施工工艺流程 图13 气压沉箱施工法施工桥梁基础 f i 9 1 3 b r i d g eb a s e o f a i r p r e s s u r ec a i s s o nc o n s 岫t i o n 如图1 3 所示为气压沉箱施工法的标准施工顺序( 以桥粱基础为例) 。首先为了 避免沉箱基础发生不均匀沉降或倾斜，根据地质条件的不同需要在施工现场进行 更换土垫层、地基改良以及地面整平等作业，使其能够承受初期浇筑的箱体载荷。 随后支撑模板，在箱底部浇筑挖排土的工作室。工作室形成后，拆除支撑模板， 然后进行各种设备安装。设各主要包括与挖、排土以及箱体下沉有关的各种设备。 由于在施工的过程中不能增加设备或改变设备的配置位置，所以必须完全按照施 工的计划来设置作业人员进出口与竖井、材料及排土用的出入口与竖井、以及送 排气、通电等管网等。施工完成后，设备的拆除要等箱底工作室内浇筑的混凝土 充分固结以后才能进行。箱体浇筑，除了水中施工出外，主要是模板作业、钢筋 作业、混凝土作业。值得注意的是：气压沉箱施工法与一般别的施工法相比，其 主要不同在于沉箱的下沉过程是一个动态过程，所以还必须动态地把握施工状态。 一般来讲在浇筑工作室时，刃脚与工作室内顶板是分期施工的。从工作室的气密 海西湾港口气压沉箱施工新技术的探讨 性角度来考虑，应尽可能连续浇筑混凝土。从挖排土以及箱体下沉开始，箱体混 凝土的浇筑、挖排土、箱体下沉就形成了一个工作循环。为了提高工作效率，应 尽可能使箱体的每次浇筑层高大致相同。在容许的浇筑高度范围内，浇筑的层高 越高，旆工效率也越高。当沉箱初期下沉时，由于工作室内的浮力作用而使周围 的摩擦阻力很小，容易发生较大的位移与偏斜，这时应慎重施工。由于体是分层 浇筑的，应注意其水密性与气密性。在浇筑混凝土时，下沉力会急骤增加，考虑 到施工的安全性，此时应停止挖排土。在挖排土过程中，由于工作室内注入了压 缩空气，因此可以在无水干涸的环境下挖掘土体，然后由排土出入口运出。 图i4 自动化气压沉箱施工 f i g1 4 a u t o m a t i z a t i o no f a l r p r e s s u r ec a i s s o nc o n s t r u c t i o n 适用范围沉箱适用于如下情况：待建基础的土层中有障碍物而j = i j 沉井无 法下沉，基桩无法穿透时；待建基础邻近有埋置较浅的建筑物基础，要求保证 其地基的稳定和建筑物的安全时； 待建基础的土层不稳定，无法下沉井或挖槽 沉埋水底隧道箱体时；地质情况复杂，要求直接检验并对地基进行处理时。由 于沉箱作业条件差，对人员健康有害，且工效低、费用大，加上人体不能承受过 第1 章绪论 大气压，沉箱入水深度一般控制在3 5 米以内，使基础埋深受到限制。因此，沉箱 基础除遇到特殊情况外，一般较少采用。 1 3 沉箱结构在港口工程中的应用 沉箱是从潜水钟发展起来的。1 8 4 1 年法国工程师m 特里热在采煤工程中为克 服管状沉井下沉困难，把沉井的一段改装为气闸，成了沉箱，并提出了用管状沉 箱建造水下基础的方案。1 8 5 1 年j 赖特在英国罗切斯特梅德韦河建桥时，首次下 沉了深1 8 6 米的管状沉箱。1 8 5 9 年法国弗勒尔圣德尼在莱茵河上建桥时，下沉了 底面和基底相同的矩形沉箱，以后被广泛应用。1 9 6 3 年日本杨川闸用沉箱作为闸 的承重防渗基础。 早期的沉箱多用钢铁制造，以后又相继出现石沉箱、木沉箱、钢筋混凝土沉 箱等。特大型的沉箱应推1 8 7 8 - - 1 8 8 0 年法国土伦于船坞钢沉箱，其平面为4 1 x 1 4 4 米。下沉最深的沉箱为1 9 5 5 年位于密西西比河上、跨度6 5 5 米的管道悬索桥，因 采用了沉箱周围打深井抽水以降低地下水位的措施，使刃脚下工作最低处在静水 位以下达4 4 米。 中国最先采用沉箱基础的是京山( 北京一山海关) 铁路滦河桥( 1 8 9 2 - - - 1 8 9 4 年) ， 中国自行设计建造的浙赣( 浙江一江西) 铁路杭州钱塘江桥( 1 9 3 5 - - - 1 9 3 7 年) ，采用 了沉箱下接桩基的联合基础。中华人民共和国成立后，有些桥梁如1 9 5 5 年建成的 黎( 塘) 湛( 江) 铁路贵县郁江桥也曾使用沉箱基础，但以后逐渐为管柱及其他 基础所替代，1 9 3 7 年中国钱塘江铁路桥的桥墩采用也采用沉箱基础。1 8 9 4 年2 月 竣工的滦河大桥及1 9 3 5 年4 月动工的杭州钱塘江大桥的桥基就是采用气压沉箱施 工法，新中国成立后，上海市建工集团基础公司5 0 年代至6 0 年代先后在北京、 上海、四川等地施工了许多较大规模的气压沉箱工程，至1 9 5 9 年止，在我国铁路 桥梁基础中有2 6 座桥的1 9 0 个基础采用气压沉箱，目前国内较少应用气压沉箱施 工法。 1 4 本论文的主要工作 长期以来，气压沉箱施工方法的应用得到了一定的推广，技术水平得到提高， 已经从最初的传统沉箱施工过度到气压沉箱施工，与其他施工法相比，现代气压 海西湾港口气压沉箱施工新技术的探讨 沉箱施工法在结构、施工、工程计划、近距离施工、大深度施工等方面具有许多 独特的优势。具体阐述如下： 结构上的优势： 沉箱结构在地面制作，能充分保证制作质量。沉箱基础为刚性结构，基础的 底面以及全周面可以安全地承受垂直荷载和水平荷载，具有较大的承载力。根据 工程的具体情况，可以灵活地调节平面尺寸以及埋置深度，对沉箱进行设计。从 日本过去的工程实例来看，沉箱的平面尺寸可以从3 0 m 到3 0 0 0 m 以上。 总之，可以根据作用在结构上的荷载情况对沉箱进行各种各样的断面设计。 另外，对于沉箱的施工深度，过去传统的气压沉箱往往把作业气压3 9 2 k p a ( 相当于 水深4 0 r e ) 作为一个深度极限值，但随着无人自动化挖土施工的实现以及氦氧混合 呼吸气体技术的实用化，目前在日本气压沉箱的作业气压已经达到了6 8 6 k p a ( 相当 于水深7 0 m ) 。另外，沉箱基础整体结构的抗震性能非常好，断面耐力很大，1 9 9 5 年日本阪神大地震中沉箱结构的良好表现就充分证明了这一点。 施工上的优势： ( 1 ) 适合于各种各样的地质条件。气压沉箱施工时，向下部作业室内送入与地 下水压相等的压缩空气，因此可在无水干涸的状态下进行挖土排土，施工地层既 可以是软弱地层，也可以是坚硬的岩石地层。当沉箱就位的地基非常软弱时，初 期下沉的支撑力有可能不足，会导致下沉过快或产生较大的倾斜，为了避免这种 情况发生，保证沉箱稳定下沉，可以通过调节刃脚部分的挖土范围在需要的地方 设置支撑，以增强下沉阻力。如果沉箱发生倾斜，也可以采用同样的方法很容易 地进行纠偏。施工中如果遇到大尺寸的碎石( 卵石) 、软岩、岩石，可根据它们的强 度更换适当的挖钻铲土附属设备，甚至也可以利用间断爆破。由于爆破在工作室 内进行，碎石不可能飞出。以上的施工措施，对于一般的沉井施工法来说是无法 做到的。 ( 2 ) 适合于各种各样的水位条件及地下水状况。沉箱下部工作室内的工作压理 论上等于地下水压，施工时不需要使用基坑降水法、井点降水法、地基理等辅助 施工方法进行降水处理。不会引起周围地基的下沉，对周围基础以及邻近的构筑 物、道路几乎不会产生任何影响。另外，气压沉箱也能利用人工岛以及栈桥栈台 第1 章绪论 等方式，进行水上基础施工( 例如桥梁基础施工) 。因此，方法基本上不受水深大小 以及地下水位高低的影响。 ( 3 ) 施工质量好，具有高品质、高精度、高效率的特点。整个箱体结构分别在 地上浇筑，可以进行强度及形状检查，因此与灌注桩等基础施工法相比，可以保 证施工的高质量。另外，可以随时观测沉箱的下沉情况，再加上现代化的信息施 工，下沉施工管理更加容易把握，下沉精度非常高。在整个施工过程中可以用肉 眼直接观察作业室内的挖掘状况，因此该施工法可以根据不同的施工状况迅速采 取对应的措施，从而提高施工效率。另外，工作室内挖排土与箱体结构浇筑可以 同时进行，这就可以进一步提高施工效率，缩短施工工期。箱体结构在地上浇筑， 不需高空作业，不仅能很好的保证施工质量，而且也不需采用特殊的脚手架，采 用一般的施工管理就能满足施工安全要求。作业室内的挖排土虽然是在高气压环 境下作业，但是只要严格按照高气压环境下的作业规则等有关规定进行管理，不 会出现任何安全问题。更为重要的是，随着无人化、自动化以及远程操作系统等 现代化施工方法的广泛应用，施工的安全性可以得到更进一步的提高。另外，气 压沉箱施工的位置与深度容易把握。即使在挖排土以及下沉的过程中沉箱产生倾 斜，也较为方便采取措施纠偏。即使在地下遇到障碍物也容易在施工中处理或拆 除。沉箱下沉到设计深度后，可以直接在作业室内进行载荷试验，对持力层的承 载力进行确认校核。 ( 4 ) 施工场地占有面积较小。由于气压沉箱的底面积较大，因此在一般情况下 与桩基础、地下连续墙基础相比，所需要的基础面积小。虽然送气、挖掘、排土 等设备需要占用一定的施工场地，但是与其他施工方法相比，所需要施工场地较 小。如果施工现场位于繁忙的交通道路下，经过前期处理，以上所有的设备都可 以放置在道路下方，从而保证道路的正常运行。因此，在位于城市中心密集地区 进行盾构隧道挖坑以及在城市建筑群中的狭窄场地进行建筑物基础施工，该工法 可以表现出良好的经济性、实用性。 ( 5 ) 施工安全有保障。整个箱体结构分段在地面上部进行浇筑施工，与地面一 般的钢筋混凝土建筑施工一样，在通常的施工安全管理控制下，不需要进行特别 处理就能顺利施工。另外，使用无人化自动挖掘沉箱技术，大部分的土方挖掘尤 海西湾港口气压沉箱施工新技术的探讨 其是大深度的土方挖掘完全可以利用机械化的沉箱挖掘机完成。遇到特殊情况， 或者机械需要维修保养拆除，少数作业人员必须进入下部工作室进行作业时，只 要严格按照高气压环境施工的有关安全管理规定，从科学和实践的角度上看施工 人员的人身安全完全能得到保障。 工程规划上的优势： 与一般的沉井施工相比，气压沉箱施工法比较容易进行挖掘下沉管理，因此 在施工计划上容易把握。在日本，通常情况下气压沉箱的挖掘作业平均一天出土 2 0 0 m 3 。但是，如果规定平均一天出土3 0 0 m 3 ，则上部浇筑作业可以与挖掘作业同 时进行，缩短施工工期，所以气压沉箱施工法在施工工期计划上具有较大的灵活 性。 近距离施工上的优势： 气压沉箱施工法可以进行确实可靠的施工管理，再加上该施工法原理本身的 优点，在施工过程中几乎不会遇到意外不可处理的事情发生，因此它的设计与施 工可以达到高度的一致性，对周围的地基及建筑的影响可以严格控制在设计预想 范围。另外，该施工法所需施工场地以及空间较小，因此在城市中心地区，尤其 在与重要建筑( 构筑物) 相邻近的工程的施工中得到了广泛的应用。适合于各类地下 建筑( 构筑) 物的施工：由于沉箱是一种地面浇筑，然后沉入地下的结构物，因此它 不仅可以用于桥梁基础施工，同时也适合于各类地下建筑的施工，通常情况下， 利用一般施工方法建设地下结构时必须首先构筑一个施工用临时地下挡土墙，但 是，对于气压沉箱来说，沉箱本身可以兼作施工用临时挡土墙，不需要另外设置 地下挡土墙，可以有效地利用地下空间，节省工程费用。适合于大深度地下空间 施工：传统的气压沉箱施工由于是以人力挖掘为主，从安全的角度来看作业人员 能够承受的工作气压的极限值一般为3 9 2 k p a ，相当于地下水位4 0 m 深度，作业时 间受到限锖4 。 但是，沉箱由于其特有的外形、尺寸、施工方法等工程特点，还存在很多的 不足之处，比如： ( 1 ) 形体巨大，采用陆上预制、滑道下水或坞内预制后起浮出运的工艺则受到 投资成本、工期、场地条件等多方面的制约。 第1 章绪论 ( 2 ) 沉箱结构在地面制作，本身刚度很大，在下沉过程中外壁会不断扰土而引 起结构外土体的移动。 ( 3 ) 传统的气压沉箱封底工艺是在沉箱下沉到位后，将填充物( 混凝土或砂土 等) 通过物料塔一斗斗地运至下部工作室内，同时工作室内采用人工在高气压下将 填充物均匀摊铺到工作室内，直至填满。该工艺由于人工在高气压下作业，操 作空间小，气压高、温度高、湿度大、噪音大、施工环境十分恶劣、施工效率极 低、条件比较艰苦、安全性不高，并且可能会由于减压控制不当而引发沉箱病。 随着我国城市化进程的加速，大量的城市地下建筑物在沿海软土地区兴建， 城市地下空间的开发和利用将越来越成为城市发展的趋势；同时高层建筑、地铁、 港口、桥涵、重型地下构筑物的建设对地下建构筑物和基础埋置深度要求也越来 越高，地下空间开发利用随之也进入了向更大深度发展的态势。另外，市区地 铁隧道、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，气压沉箱施工法在许多情况下能适应上述的特殊需求，因而 在工程应用中具有不可替代的竞争力及广泛的应用前景。 鉴于沉箱施工的重要性，新技术在沉箱施工过程中的应用能带来很大的经济 效益和社会效益。论文将对沉箱施工过程中的工程监测与试验控制、沉箱移动、 沉箱安装和沉箱封底等几个施工过程进行研究。希望以青岛海西湾造修船基地北 顺岸码头工程为题，通过研究，在调查分析国内外沉箱施工工程的基础上，能将 当前提出的新的施工技术，应用于具体的沉箱施工过程中，从而能解决当前沉箱 施工过程中存在的一些问题： 1 ) 对沉箱施工的环境监测问题进行研究； 2 ) 沉箱施工过程中沉箱的出坞、存放及拖运存放过程中沉箱陆上搬运技术 的探讨； 3 ) 沉箱施工过程中新型封底技术的研究。 通过对沉箱施工过程的详细分析和技术总结，希望能为以后沉箱工程施工中 新技术的进一步研究打下良好的基础。 海西湾港口沉箱施工技术的探讨 第2 章气压沉箱施工过程与工艺 为了建立气压沉箱下沉过程的力学模型，首先必须了解沉箱下沉施工的基本 过程。 第2 章气压沉箱施工过程与工艺 2 1 气压沉箱下沉施工工艺 一般的具体步骤如下所述： 2 。1 1 地基处理 如果原有天然地基坚固，可以将原有天然地基表面整平后直接使用。但是如 果天然地基软弱，可能产生不均匀下沉，应铲除表层软弱地层，选择铺设适当厚 度的砂、石等良质材料进行换土垫层的地基改良处理，使其能够承受初期浇筑的 箱体荷载，避免沉箱基础发生不均匀沉降或倾斜。沉箱在下沉挖掘中非常不稳定， 即使产生少许倾斜也可能使倾角不断增大。因此，沉箱下沉挖掘开始时要求必须 处于完全水平的就位状态。就位地基应表面平整，不存在高低坑洼，即使重物作 用也不会产生不均匀下沉。 2 1 2 沉箱就位 首先通过精密测量准确确定沉箱的就位位置，沉箱就位地基面应尽可能靠近 地下水位面，这样可以使沉箱就位面以上的天然地基采用明挖法挖掘，挖排土更 容易且更经济。其次是设置刃脚金属保护及工作室结构的模板、支撑，在配置钢 筋的同时埋设各种金属预埋件，主要包括：埋在沉箱主体内的各种金属构件、安 装特殊竖井立管用的螺栓、竖井孔防护金属构件、安装沉箱挖掘机行走轨道用的 螺栓、排气管、配电线保护管、工作室内填筑混凝土时孔隙水泥灌浆管等埋设金 属构件。这些金属埋设物必须设置在正确的位置，为了避免浇筑混凝土时埋设物 错位需要事先固定死。最后是浇筑混凝土形成沉箱底部的工作室，混凝土浇筑应 连续进行以保证工作室的气密性，在混凝土养护达标后拆除工作室内模板及支撑 等。 2 1 3 安装各种施工用设备及机械 在工作室项板上需要安装人员竖井、建材竖井及相应的气闸室、各种管线等， 工作室顶板下安装自动挖掘机、出土器、送换气、照明、信息以及监测控制设备 与仪器等。气闸室安装和竖井接长都属于高空的脚手架作业，因此需要采用有效 的防护措施。沉箱内设置的送气管、排气管等需要采取防振动措施，防止管路振 动与墙壁等碰撞而损坏。 海西湾港口沉箱施工技术的探讨 图2 i 气压沉藉施工过程 f i g2ic o n s t r u c t i o np r o c e s so f a i r p r e s s u r ec a i s s o n 214 送气、开始开挖出土并下沉 从沉箱第一节混凝土浇筑开始至工作室内支撑及刃脚下垫木全部拆除的这段 时间内需要频繁计测沉箱四角刃脚部的标高，检测作用在刃脚前端荷载状况和有 无不均匀下沉，作为工作室内支撑拆除、井框支架设置等施工的参考。在保证工 作室气密性的条件下开始向工作室内送气( 一旦开始送气后，必须保证整个下沉过 程送气的连续性) ，在无水条件下操控沉箱自动挖掘机挖土，挖土应均匀、对称地 进行，避免掏挖刃脚下的土体。通过出土装置将土排出沉箱外，随着挖土作业的 第2 章气压沉箱施工过程与工艺 进行，沉箱会在自重作用下通过刃脚的挤土而慢慢下沉。在沉箱初期下沉时，由 于工作室内的上浮力与周围的摩擦阻力很小，沉箱容易产生很大的变位，应慎重 施工。 2 1 5 箱体接高并下沉 作业沉箱一般是分节制作、分节下沉，应尽可能使箱体的每节浇筑高度大致 相同以提高工作效率，但在容许的浇筑高度范围内每节浇筑得越高工作效率越高， 箱体分层浇筑过程中应注意其水密性与气密性。箱体浇筑主要是模板工程、钢筋 工程、混凝土工程等。模板应保证沉箱侧壁外表面竖直平滑，钢筋应一根一根地 吊入而进行手工配置，混凝土浇筑应连续、对称地进行。同时，在箱体接高时须 保证工作室内的气压，避免因箱体重量增加而出现突沉、倾斜等不利情况发生。 从沉箱主体混凝土浇筑开始到混凝土脱模的这段时间内应停止挖排土下沉作业， 沉箱应保持静止状态。因为在混凝土还没有很好硬化的情况下，沉箱下沉会扰动 养护中的混凝土，使混凝土强度和水密性下降。 继续开始下沉，重复、的过程，直至最后一节浇筑完并下沉到设计标高。 在整个下沉过程中应防止过大的偏斜，一旦出现偏斜必须及时纠偏。在下沉的后 期可能因下沉阻力过大而使下沉困难，可以采取增加助沉荷载、减小摩阻力以及 适当降低气压的措施，如增加水荷载、采用润滑泥浆及空气幕，配置压沉反力千 斤顶辅助下沉系统等。其中减压下沉必须特别慎重，要求下沉施工的控制非常精 确、到位，一般不建议采用。 2 1 6 下沉结束后的后续作业 下沉结束后，如有必要可以进行地基承载力试验。在填筑工作室内混凝土之 前，必须首先分解、拆除设置在沉箱工作室内的沉箱挖掘、排土机械以及各种控 制监测设备。沉箱挖掘机行走轨道安装在工作室内顶板上，应松开螺栓，拆除轨 道，在沉箱外回收。沉箱工作室内的电灯、电线、通信器械、通信线、阀门等所 有可以拆除的应全部解体、撤出，在沉箱外回收。沉箱工作室内的器械解体、撤 出，工作室内及持力层地基面清扫后进行工作室内的混凝土填筑作业。混凝土必 须填筑到工作室内的各个角落，混凝土的和易性越高越好。工作室内充填混凝土 施工完毕后，继续送气，在气压状态下进行混凝土养护。经确认混凝土已经硬化 海西湾港口沉箱施工技术的探讨 即使降低气压也不会产生涌水后，停止向工作室内送气，待工作室内气压降低到 大气压后，进行气闸室、竖井立管等沉箱设备解体、拆除工作。如图3 1 所示为桥 梁基础施工过程，其到有所不同。桥梁气压沉箱基础施工时可分为止水壁与 非止水壁两种方式。止水壁方式是在沉箱顶部设置止水壁，在沉箱下沉结束后浇 筑顶板与桥墩，最后拆除止水壁。非止水壁方式是设置顶板支撑再构筑顶板，在 沉箱下沉的同时浇筑桥墩。 2 2 沉箱施工过程中细节过程分析 2 2 1 沉箱出坞存放、拖运施工工艺流程及方法 一、沉箱出坞、存放 ( 1 ) 坞内注水施工工艺流程 沉箱格仓内注水一一，待出运沉箱阀门、盖板安装一坞内注水 坞门起浮、拖运+ 一关闭待安装沉箱阀门 1 ) 沉箱格仓预先注水：沉箱预制完成后，在坞内注水前用潜水泵将每个沉箱 格仓内加水，并将阀门全部处于开启状态。 2 ) 将待出运沉箱盖板及阀门杆安装好，并开启阀门。 3 ) 坞内注水：坞内注水由坞门进水口进水，首先将坞门进水口全部打开，外 面的海水通过进水口进入坞室。当水位没入待出运沉箱阀门o 5 m 时，关闭坞门进 水口中的部分，保持坞内水深8 0 m 左右。同时测量格仓内水位，待沉箱格仓内进 水7 5 m 后关闭阀门，坞室内继续注水，直到坞室内外水位一致。 4 ) 关闭坞门进水口，用抽水机进行坞门内抽水，当水位达到一定高度时，坞 门浮起，然后用拖轮将坞门拖至坞口外，以备沉箱出坞。 ( 2 ) 沉箱起浮施工工艺流程 i一 第2 章气压沉箱施工过程与工艺 挂尼龙缆、安护舷啼沉箱抽水、等潮水继续抽水 一 准备出运卜调整沉箱吃水、水平卜沉箱浮起、停止抽水一 l l 1 ) 沉箱起浮前，将尼龙缆、护舷等全部安放完成，尼龙缆应派专人进行看管。 2 ) 沉箱抽水起浮需利用大约6 台潜水泵，4 台放置在沉箱前沿，2 台放置在 沉箱后沿进行抽水，抽水时就严格按照规定的时间和规定的潮水进行施工。 a 当潮水高于+ 1 o m 时，应将沉箱前后格仓内水位抽至浮游稳定要求的水位。 b 。检查尼龙缆、护舷安装的是否牢固，继续向外抽水，抽水时前后仓水位差 严格保持在浮游稳定要求的水位差。 c 抽水时观察沉箱有无浮起，发现沉箱浮起时立即停止抽水，并随时调整尼 龙缆及护舷位置。 d 调整各格仓水深，挂好尼龙缆，准备进行沉箱出运。 ( 3 ) 沉箱出坞 沉箱起浮、调整水平_ 等待潮水 ，绞 准备拖运+ 一锚艇拖带+ 一绞至坞口、 1 ) 沉箱浮起，调整好仓内水位后，待潮位达到要求，即开始进行沉箱出运。 2 ) 利用绞盘绞尼缆拖带沉箱，逐渐向坞口拖运，绞盘操作人员缓慢绞运尼龙 缆，尼龙缆绞紧后暂停，待沉箱移动后再绞，严禁因尼龙缆太紧而使沉箱发生倾 斜。 3 ) 当沉箱拖至坞口位置，将龙须缆挂锚艇，利用锚艇缓慢拖带沉箱，此时沉 箱应留两根后缆，随着沉箱的前进，人员操作逐渐放缆。 4 ) 当沉箱完全拖出坞口，拖轮靠近沉箱，挂走缆、着缆、尾缆进行绑拖。 5 ) 放开沉箱连在船坞系船柱上的缆绳，开始进行沉箱拖运。 ( 4 ) 沉箱拖运及存放 1 ) 锚艇在前面拖带，拖轮绑拖，沿沉箱通道进行拖运。 海西湾港口沉箱施工技术的探讨 2 ) 沉箱拖运时，应时常用水砣打水，检查航道沉箱富裕水深，并有专人指挥， 防止偏离航道。 3 ) 沉箱拖至存放场地后，用尼龙缆与方驳进行靠泊，然后打开沉箱进水阀门 向沉箱内注水，使沉箱座底。 二、沉箱拖运存放 沉箱海上远距离水上拖运采用拖轮绑拖半潜驳和拖轮直接绑拖沉箱拖运沉箱 两种施工工艺。 施工工艺流程： 施工准备船舶就位沉箱抽水起浮起重船吊挂沉箱 土 拖运存放+ 一驳船起浮加固沉箱一吊沉箱上驳船祝箱继续抽水 ( 1 ) 施工准备 1 ) 沉箱起浮前，技术员对作业船舶及施工人员进行详细的技术、安全交底， 制订沉箱拖运的详细计划，送达每条作业船舶及施工班组。 2 ) 详细计算各种型号沉箱的吃水、舱内压水、起重船吊力及浮游稳定，制定 详细的控制措施。 3 ) 将抽水泵、沉箱盖板、起吊钢丝绳及水尺等全部安放到位，沉箱拖运所用 尼龙缆和钢丝缆配备齐全，有专人进行负责管理。 ( 2 ) 船舶就位。 ( 3 ) 沉箱抽水起浮利用潜水泵约6 台，4 台放置在沉箱前沿，2 台放置在沉 箱后沿进行抽水，抽水时严格按照规定的时间和规定的潮水进行施工。抽水时观 察沉箱有无浮起，发现沉箱浮起时立即停止抽水。 ( 4 ) 沉箱起浮达到浮游稳定后，在沉箱吊鼻穿钢丝绳进行起重船挂钩，待检 查安全后继续进行沉箱抽水，沉箱吃水到合适深度时，停止抽水，然后起重船慢 慢沉箱移至半潜驳。 第2 章气压沉箱施工过程与工艺 ( 5 ) 沉箱在半潜驳上方就位后，慢慢向沉箱内注水，使沉箱缓缓下沉至半潜 驳甲板上，待检查起重船吊索不在受力进行起重船起钩，进行下个沉箱起浮。 ( 6 ) 沉箱拖运 每次所拖运的沉箱全部上半潜驳加固后，半潜驳进行挂缆，用一艘拖轮在前 拖带，拖至现场后停靠方驳准备安装或进行存放。 图2 2 沉箱托运示意图 f i g2 2s k e t c hm a po fc a i s s o nh a u l ( 7 ) 沉箱存放 沉箱拖运到距施工现场的湾港航道，借用湾港航道水深进行半潜驳下潜，起 重船协助沉箱进行下水( 具体操作工艺同沉箱上半潜驳) ，达到沉箱浮游稳定后由 拖轮将沉箱拖到施工现场，存放与所开挖的基槽上。 三、沉箱托运过程问题分析 沉箱拖运过程中，常规方法如前面所述，锚艇在前面拖带，拖轮绑拖，沿沉 箱通道进行拖运。而且在沉箱拖运时，要应时常用水砣打水，检查航道沉箱富裕 水深，并有专人指挥，防止偏离航道。 气囊搬运新技术主要应用于船舶上下水、大型物件的启动搬运等。船用气囊 上下水克服了以往船舶修造受制于滑板、滑道、沉箱等传统工艺的弊端，发展成 为极具灵活性柔性上下水成熟技术，具有省时、省力、省投资、灵活、安全、综 合经济效益显著等优点。 海西湾港口沉箱施工技术的探讨 ( 1 ) 气囊搬运的工作原理 气囊搬运沉箱的工作原理是在需要移动的大型构件下面，放置若干个圆柱型 的气囊，气囊通过供气系统充气后将构件顶升；并开启牵引系统，气囊滚动使构 件实现水平移动。 ( 2 ) 气囊结构形式、技术参数 气囊分为低压、中压、高压三种。本工程应用的气囊属高压气囊类型。气囊 为长圆柱形，由橡胶和锦纶帘子布分三层构成。内外层均为橡胶层，中间是锦纶 帘子布层，其用于中压气囊时帘子布为三层，用于高压气囊时帘子布为六层；锦 纶帘子布的密度为9 5 根1 0 c m 宽，锦纶绳的拉断力为2 8 0 n 根；其中高压气囊 的断面厚度约1 0 m m 左右。气囊的纵断面形式见图1 。 图2 3 气囊纵断面形式示意 f i g2 3s h a p es k e t c hm a p o fa i rc h a m b e r sv e r t i c