上海市外环沉管隧道管段沉放施工技术.docx

上海市外环沉管隧道管段沉放施工技术第27卷第2期 V01.27No.2 建筑施工BUILDINGCONSTRUCTION 上海市外环沉管隧厘管段 . 沉放旋工技市 ConstructionTechniqueforSinkingPipeTunnel fortheShanghaiOuterRingRoad 口吴小羊(上海市基础工程公司200002) .【摘要】以上海外环沉管隧道管段沉放施工为工程背景,阐述管段沉放施工技术关键和适用条件以及相应的沉放施工技 术,以确保沉管下沉对接顺利完成. 【关键词】沉管隧道沉放技术定位测量对接 【中图分类号U455.46,文献识别码A【文章编号】1(X)4-1001(2005)02-0029-03 上海外环隧道是城市外环线跨越黄浦江下游的越江 工程,距吴淞口约2km,是上海市首次采用沉管法修建 的双向8车道的大型水底公路隧道,江中段长736m, 由7个管段组成,管段宽度43m,高度9.55m,长度 i00i08Ill不等,最大水下埋深超过30m.以管段宽 度计,规模居亚洲第一,世界第三. 1影响管段沉放的主要因素 管段的沉放施工是建造沉管隧道的关键环节之一, 沉放对接的成功与否直接影响到整个沉管隧道的质量, 根据世界沉管隧道建设的经验,管段沉放施工方案的设 计,沉放方式的选择和施工设备的配备取决于沉管隧道 建设处自然条件,航道条件,沉管本身的规模以及模拟 试验结果和经济性等因素,主要包括水流的速度和方 向,水的容重,管段埋深,潮汐,浪,河床断面等. 水流对管段沉放的影响很大,拖轮的配备,平面定 位方式的选择都必须考虑水流作用力的影响,考虑的因 素包括水流速度的大小和方向,隧道管段的形状和尺 寸,河流或水流影响区域的宽度和深度及其形状等.在 潮汐区进行沉管隧道施工时,应该对水流的大小和水流 的方向进行实时的精确测量以保证沉管管段的浮运和沉 放施工的顺利进行. 【作者简介】昊小羊(1979一),男,大学本科,助工,联系地 址:上海市江西中路4O6号(200002).电话 【收稿日期】2004-1224 水的容重影响到沉管管段的浮力的大小,管段和拖 运的沉放离不开管段的浮力,沉放过程需实时测量各个 深度水的容重,以便调整压舱水量,保证管段沉放时具 有一定的负浮力. 另外.管段埋深大.会增加管段沉放和管段对接的施 工难度.管段沉放过程需大量的潜水作业(安装拉合千 斤顶,潜水检查等),管段埋深大,持续潜水作业时间 短,给潜水作业带来较大困难. 2沉管隧道管段的沉放方式 从1910年在美国底特律河下用沉管法修建第一条 水下隧道以来,世界各国已建的沉管隧道已超过100 条,根据不同的自然条件,航道条件,沉管本身的规模 和设备条件,沉管隧道管段的沉放方式主要有: (1)吊沉法这种方法包括起重船吊沉法和浮箱吊 沉法,其中起重船吊沉法适用于规模较小的管段,最初 的沉管隧道管段为钢壳型,多采用这种沉放方式.浮箱 吊沉法是在上世纪60年代在荷兰建造柯恩隧道和培纳 勒克斯隧道时首创的,这种方法的主要设备为4只 100150t方型浮箱,随着技术的发展,现在有前后两 只大浮箱或改装的驳船代替原先4只小浮箱,使水上作 业大为简化. (2)杠吊法杠吊法亦称为方驳杠吊法,主要分为 4驳杠吊法和双驳杠吊法.其中,4驳杠吊法采用4艘 方驳,左右2艘方驳之间架设由型钢或钢板梁组成的 I 第2期吴小羊:上海市外环沉管隧道管段沉放施工技术 杠棒”来承受吊索的吊力.前后两组方驳可用钢桁架 联系,组成一个船组.驳船组及管段分别用6根锚索定 位. 双驳杠吊法也称双壳体船法,这种方法采用两艘 船体尺度较大的方驳船,船组整体稳定性优于4只小方 驳船组成的船组,施工时可利用这个特点把管段的定位 锚索去掉,改用对角方向张拉的斜索系于双驳船上. (3)骑吊法(SEP吊沉法)骑吊法的主要沉放设 备为水上作业平台(SeIfElevatingPlatform).其方法 是将管段插入水上作业平台下,是水上作业平台骑” 在管段上方,将其慢慢吊放下沉. (4)拉沉法这种方法利用预先设置在沟槽中的地 垄,通过架设在管段上面的钢桁架顶上的卷扬机牵引锚 碇地垄上的钢索,将具有2O00N3000kN浮力的管段缓 缓的拉下水.管段在水底连接时,以斜拉方式使之靠向 前节既设管段. 管段沉放施工中用的最普遍的是浮箱吊沉法及方 驳杠吊法.一般管段宽25m以上的大中型管段,多采 用浮箱吊沉法,小型管段则以方驳杠吊法较为合适. 上海外环隧道规模较大,属世界级沉管隧道,决 定沉放方式时对双驳杠吊法和双浮箱吊沉法进行了多方 面的比较,上海交通大学海洋工程国家重点实验室对这 两种沉放方式进行了模型试验,同时考虑到双驳杠吊法 施工时需占用较大的水域面积,黄浦江船只进出繁忙的 实际情况以及现有的设备情况,最后决定采用双浮箱吊 沉法进行上海外环隧道管段沉放施工. 3管段沉放过程中的定位测量方法 由于管段沉放,对接均在水下进行,管段沉放过 程中的实时定位测量技术和沉放过程的自动监控技术是 管段沉放施工的关键技术,而精确,实时的测量又是沉 放过程的自动监控的基础,为了实现管段浮运沉放的自 动化控制,必须由测量持续不断地提供管段的位置及其 姿态数据. 为了确保沉管隧道各个管段能准确连接,需要建 立测量系统和调整装置.测量系统包括引导管段到位和 使管段正确对接的两个部分.引导管段到位的测量系统 是在陆地上用扫描式全站仪自动跟踪测量定位控制塔上 的棱镜,根据测量结果用计算机算出管段现在位置,显 示在屏幕上,指导指挥人员下一步决策(进一步下沉或 平面位置调整). 使管段正确对接的测量系统可采用超声波探测装 置(水下三维系统),配合陆地上的引导系统,以及时 I 掌握管段的绝对位置与状态(管段摆动与否),以及正 沉放管段与已沉放管段之间的相对位置(端面间距离, 方向,纵横断面的倾斜等),从而安全,正确并以最短 时间实现管段的沉放与对接,避免沉放过程中管段碰撞 和GINA橡胶止水带损伤等事故. 超声波探测装置可自动测量管段端面之间的相互 距离,水平和垂直偏移,管段倾斜,检测结果通过计算 机处理后显示出图像,作为监控管段沉放的根据. 最后对接时,还需潜水员大量,多次的检查,确 认位置正确,保证沉放安全,成功.扫描式全站仪,超 声波探测装置的应用,可大大减小现场施工人员的作业 强度,减少施工风险,降低作业成本. 4上海外环隧道沉放施工技术 4.1管段沉放的自然条件 管段沉放,对接时对自然条件的要求为:风速< 10m/s:波高<0.5m;流速<0.6NO.8m/si能见度: 1000m.为此,沉放施工前,需对沉放阶段的水位,流 速,气温,风力等水文气象条件进行资料收集分析,选 择最佳时机.施工时选择前一天进行现场准备,根据沉 放对接时为平潮后1.52h流速最小的前提条件,可推 算开始沉放的时间,通常为上午8时或下午1时开始沉 放,持续时间一般为l2h左右. 4.2沉放作业前的准备工作 锚碇系统的设置:在沉放,对接过程中,管段将 不可避免地受到风浪流等外力的作用,需设置平面定位 的锚碇系统,上海外环隧道采用l双三角型”定位方式 (见图1),即沿垂直沉管隧道的轴线方向左右对称地布 置锚碇块,锚碇块距轴线100m,其中E1,E7管段分 别有两个锚块在岸上.管段沉放之前还应对基槽进行全 面细致的验收,在相应水域布置封锁标志,检查相关的 设备和动力情况,撤除GINA橡胶止水带保护装置以及 制定相应的应急措施等等. 图I|双三角形”定位方式 吴小羊:上海市外环沉管隧道管段沉放施工技术第2期 4.3管段沉放施工的步骤观图2) 初步下沉:沉放作业在利用6根定位缆调整好管段 位置后,与已沉管段保持10m左右的距离,先往管内 压舱水箱加水,给管段下沉提供足够的负浮力,然后通 过钢浮箱上的卷扬机控制沉放速度,使管段以 0.30m/min的速度下沉,直到管段底离设计标高4m左 右为止.下沉过程中要随时校正管段的位置. 靠拢下沉:先将管段向前平移,至距已沉管段2m 左右处.然后再将管段下沉到管底离设计标高1m左 右,并调整好管段的纵向坡度,轴线误差0.3m. 着地下沉:先将管段平移至距已沉管段0.50m处, 校正管段位置后,轴线误差0.03m,即开始着地下 沉.最后1m的下沉,通过钢浮箱上的卷扬机控制下沉 速度,尽量减少管段的横向摆动,使其前端自然对中. 着地时先将前端搁在l鼻式”托座上,通过托鼻上的导 向装置,自然对中.然后将后端轻轻地搁置在临时钢管 桩桩帽上. 测量塔 支撑 斤顿 图2管段沉放施工步骤 沉放作业的时间选择应充分考虑沉放作业的进度, 尽量保证沉放作业的最后阶段在平潮期内进行;沉放作 业时操作须谨慎iJx,b,充分考虑管段的惯性影响,每一 步操作完成后应等管段恢复静止,然后再进行下一步的 操作i靠拢下沉和着地下沉过程中,除常规测量仪器, 水下超声波测距仪进行不问断的监测外,尚需有潜水员 进行水下实测,检查测量管段的相对位置和端头距离; 沉放过程中需对江水的容重进行不问断的量测,r并根据 江水的容重调整压载水,确保有足够的负浮力. 4.4管段沉放过程中的定位测量 管段的最大尺寸为108mX43mX9.55m,该沉管 隧道位于平面曲线上,最大水深约30m左右,要实现 高精度沉放,定位测量较为复杂.为加快测量速度并保 证管段沉放精度,空间位置的定位过程同时使用了两台 扫描式全站仪,另外,在管段内设置连通管,摄像头及 水准标尺,以及时监控管段的横向倾斜度. 岸上的两台扫描式全站仪,分别自动对准两测量定 位塔上的棱镜,测得棱镜的三维坐标,通过有线传入计 算机,计算机经专门软件计算到管段三维姿态,并显示 到屏幕上.屏幕上同时还可看到已沉管段的实际位置, 鼻托导向装置的位置,钢管桩桩帽的位置等信息. 另外,为了控制管段的横倾,在管内靠端封墙附近 设有一横向连通管,装有水准标尺,摄像头,通过电缆 传至测量塔A的控制室中,从显示器中可知管段横倾信 息. 5结论 管段的沉放和对接是大型沉管隧道施工中的关键 工序之一,而且该工序是在水下进行的,施工精度要求 高,施工难度大.管段的沉放施工应该考虑以下几个方 面的因素: (1)沉放施工设计要考虑沉管隧道实施处的环境 条件,如水深,水流速度,水的容重及隧道埋深等. (2)根据隧道的自然条件,航道条件,沉管本身的 规模和设备条件,以及模型试验结果和经济性等因素选 择合适的沉放方式,本次外环隧道管段沉放就选择了双 浮箱吊沉法进行施工. (3)管段沉放施工过程中对管段进行实时的定位 测量是至关重要的,为确保管段沉放施工的安全和施工