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沉井沉箱法发展

作者:  来源:隧道网  发布:2015/9/15  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:沉井法又称沉箱凿井法工法,是指在地下建筑结构设计位置上,预制好底部带有刃脚的一段井筒,在其掩护下,随着井内的掘进和出土,井筒靠其自重克服井壁与土层间的侧面团力和刃脚下的正面阻力而下沉,随着井筒下沉,在地面相应接长并壁,如此周而复始,直至沉至设计深度的一种超前支护施工方法。

基本原理

沉井法又称沉箱凿井法工法,是指在地下建筑结构设计位置上,预制好底部带有刃脚的一段井筒,在其掩护下,随着井内的掘进和出土,井筒靠其自重克服井壁与土层间的侧面团力和刃脚下的正面阻力而下沉,随着井筒下沉,在地面相应接长并壁,如此周而复始,直至沉至设计深度的一种超前支护施工方法。

气压沉箱工法就是在沉箱的下部设置一个气密性高的钢筋混凝土结构工作室(working chamber),以便作业人员可以在无水干涸的环境下进行挖土排土,使箱体下沉。为了防止地下水渗入工作室,该工法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,在下部工作室内挖掘土体并向外排土,箱体在本身重量以及上部荷载用水重量的作用下,下沉到指定的深度,最后在沉箱结构的底部浇筑混凝土底板。

 

施工技术特点

1)占地面积小,沉井下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁;

2)与明挖法相比,挖土量小,施工简洁;

3)可就地制作,所需机械设备简单;

4)作为地下建筑使用,其单体造价较低;

5)主体部分的混凝土在地面上灌筑,质量较易保证,整体刚度较大,防水可靠;

6)对邻近建筑物的影响较明挖法少。

主要组成及分类

沉井一般由井壁、刃脚、隔墙、凹槽、封底(包括底板)和顶盖等部分组成。 

井壁:沉井的外壁,是沉井的主要部分。它应有足够的强度,以便承受沉井下沉过程中及使用时作用的荷载;同时还要求有足够的重量,使沉井在自重作用下能顺利下沉。 

刃脚:位于井壁的最下端,多做成有利于切入土中的形状。此外,还要求有一定的强度,以免挠曲或损坏。刃脚下部的水平面称为踏面,其宽度视土质的软硬和井壁重量、厚度而定。 

隔墙:为了加强沉井的刚度,或由于使用需要设置隔墙。 

凹槽:位于刃脚的上方,使混凝土底板能和井壁更好地连接。 

封底:下沉到设计标高后,在沉井底面用素混凝土封底,作地下建筑物的基础,再在凹槽处灌筑钢筋混凝土底板。 

顶盖:作为地下建筑物,在修筑好满足内部使用要求的各种结构后,还要修筑顶盖。 

沉井按井内淹水与否分为不淹水沉井和淹水沉井两种。

1)淹水沉井分为:壁后泥浆淹水沉井和壁后施放压气淹水沉井。

2)不淹水沉井分为:震动沉井和压水沉井。

 

历史发展

1)国外发展

法国的气闸发明工程师塔利哥(M.Triger)于1841年是世界上第一个开始应用气压方法挖掘地基土层的人,他所用的设备被认为是气压沉箱工法的原型。塔利哥在法国中东部平原Loire河的砂州上用重锤将直径约1m的圆形铁筒打入地中,准备建造一个到达河底下18m的煤矿竖井。最初他采用的是开口沉箱工法,用铲斗(Scoop bucket)挖掘铁筒内的细砂。但是当铁筒遇到粗颗粒的砾石层时就再也沉不下去了,然后塔利哥在铁筒上安装一个盖子进行密闭,并配备上了气闸室(Air lock),向铁筒内充入压缩空气。利用插入至铁筒内部的细管充入空气将铁筒内的水挤出,然后让工人进入铁筒内挖掘位于底端的粗颗粒砾石层。这样就按既定深度目标完成了这个竖井的施工,当时铁筒内的最大气压没有超过2kgf/cm2。采用气压工法建造的最早的结构物基础是1851年在英国罗彻斯特(Rochester)修建的铁道桥梁基础。1850年至1860年间,在法国、英国等国家利用气压工法建造的基础称为圆筒形气压桩(Pneumatic Pile),直径通常是2m以下的小型气压沉箱。

19世纪初,欧洲首先采用沉井法,在含水地层中建成井筒。

19世纪美国的大型桥梁气压沉箱基础,布鲁克林大桥(Brooklyn Bridge)是19世纪世界最大的土木建筑物,其桥梁的2个主塔基础采用了气压沉箱工法。从1869年开始施工,至1872年完工,历时3年。布鲁克林大桥气压沉箱基础位于深处坚硬的地基上,基础底面面积为1630m2(52.4m×31.0m)。该沉箱基础施工非常大胆地采用了被称为水柱(Water-Column)或水井(Water-Well)的挖排土方法,这种挖排土方法运用起来非常困难。所谓水柱(Water-Column)法是指上下贯穿沉箱直立两根充满水的很粗的木结构竖筒,开挖的土砂集中到竖筒下方,用抓筒(grab bucket)在竖筒的水内将土砂吊出。该工法在调节竖筒内水量或气压时若稍有不慎可能会发生压缩空气向外喷发或竖筒内的水向工作室内喷涌的现象,导致工作室内气压急剧降低,作业工人易发生沉箱病。 

在美国修建的第一座以沉箱为基础的桥梁是横跨密西西比(Mississippi)河的路易斯大桥(Saint Louis Bridge),该桥气压沉箱基础于1870开始破土动工,1876年路易斯大桥建成完毕,它使横断美国大陆的铁道首次全线贯通。路易斯大桥基础是一个巨大且非常深的沉箱基础,其东侧桥台基础沉箱底面位于高水面下33.4m。 由于当时还没有发明电灯,因此沉箱工作室内照明也只能采用汽灯或油灯。在氧气浓度高的气压环境下使用汽灯或油灯,非常容易发生火灾。在19世纪的大型沉箱工程施工时下部工作室内火灾及重型减压病患者频繁发生,甚至有很多人因此而丧生。 

横跨英国北部苏格兰(Scotland)Firth of Forth湾的Forth Bridge桥也是采用的气压沉箱施工方法而完成的,迄今为止它是世界上最大的桁架桥。该桥的2个主桥脚各自采用了4个直径为21.3m的圆形沉箱基础支撑。这些气压沉箱工程建成于1875年,其中最深的沉箱其底面位于满潮水位下29.3m处。Forth Bridge桥基础的气压沉箱采用了外壳为钢板的素混凝土结构。

艾菲尔(Eiffel)铁塔是法国首都巴黎的象征,该塔具有4个支墩,其中位于塞纳(Seine)河的2个支墩基础均由4个气压沉箱组成,合计共有8个气压沉箱支撑结构。每个沉箱的平面积为15m×6m,下沉至河底面下10m,塞纳(Seine)河的平均低潮水位为5m。该铁塔的沉箱基础于1886年下沉完毕。艾菲尔铁塔沉箱是由铁板壳内充填素混凝土或石块而建造完成,这主要是因为当时钢筋混凝土技术还没有得到推广应用。

20世纪初,在美国纽约市中心掀起了建设摩天大楼(Sky-Scraper)的超高层建筑的热潮。这些超高层建筑基础多数采用几十个沉箱呈圆形状下层至相当于地下4~5层深度的地下深处岩石地基范围,沉箱之间相互进行连接,形成一个水密性良好的地下圆周壁结构,然后在地下沉箱周壁的内部采用明挖法开挖土体并进行施工。这种地下周壁施工方法称为墙沉箱(Wall Caisson)工法。 

1906年开工的美国哈得逊站(hudson terminal)车站大楼建设,就是在街道路面下21.3m至岩石地基(33.5m)范围内下沉了51个气压沉箱,将铁道车站地下大厅以及位于其下方的变电所等所有地下设施非常严密地包围起来,工程体现了良好的水密性能。

20世纪初,在隧道竖井及其地铁的建设方面,很多地下工程也采用气压沉箱施工。例如,横断纽约西区哈得逊(Hudson)河底的荷兰隧道(Holland Tunnel),其通风竖井就是采用了大型的气压沉箱建造而成。荷兰隧道本体结构也是采用早期的气压盾构法施工建造,它是当时世界规模最大的水底隧道工程。另外,在1903年至1909年期间,在法国首都巴黎横断塞纳河河底的地铁4号线、8号线的水底隧道及其塞纳河附近的车站区间隧道均采用了气压沉箱工法施工完成。

在欧洲的其它国家的绝大多数的气压沉箱是由德国的Wayss und Freitag建筑公司施工完成的。该公司从1927年到1985年的59年间建造了500个气压沉箱工程,这500个气压沉箱包括在德国境内以及荷兰、法国等12国家的沉箱工程。

1923年9月1日在日本关东地区发生了7.9级强烈大地震,再加上火灾等二次灾害,使东京遭到了毁灭性的破坏。在东京重建的桥梁工程中首次采用了气压沉箱工法。 日本政府的震害复兴局委托内务部工程师白石多士良全权负责这些桥梁的基础设计与施工。于是,白石多士良决定从美国引进气压沉箱技术并同时从纽约基础工程公司(New York Foundation Co. Ltd.)聘请三名工程师作为技术指导。随着这些工程的相继成功,该施工工法在日本得到了广泛地推广与应用。当时的气压沉箱工法主要用于桥梁基础、建筑基础、工厂设施的基础、河川港湾设施、地下铁道、地下道路、地下容器、地下储藏罐、地下防空洞等各种各样的构筑物工程的建设。

    日本白石会社于1933年创立,该会社主要从事沉箱技术(包括气压沉箱技术、开口沉箱技术等)的技术开发与设计施工。一直到1950年前后,日本绝大多数的气压沉箱基础都是由白石会社施工的。进入上世纪60年代以后,随着气压沉箱基础的需求量的快速增长,各个建设会社为了增强企业的竞争力,不断开展技术革新,促进了气压沉箱技术的发展,尤其是下部工作室内挖掘机机械化技术得到了很大的发展。进入60年代,电动铲运机(bulldozer)逐渐被导入到地下工作室内,1967年以后在工作室内应用小型铲运机(bulldozer)技术得到了较为广泛地应用,开始进入了挖土机械化的时代。为了提高向土筐内装土的效率,采用了能够自由回转的方型挖运土斗。但是这种地上走行式的挖土机械,对于特别软弱的地盘,其走行性能不是很好,而对于特别硬的地盘又由于重量不足打滑不能获得充足的切削反力,因此这种挖土机械缺乏对各种土质地盘条件的适应能力。为了克服走行性不好以及切削能力不足的缺点,1969年日本建设省(相当于我国的建设部)开发了无人气压沉箱挖掘机,可以适应各种地质条件,从而实现了整个施工过程无人化,然而这项技术仅局限于一些较小尺寸的工程(约直径在6m~9m范围) ,同时在机械结构,经济等方面还存在着许多问题。

1970年由白石会社首次开发成功了沉箱工作室内高效的挖掘机(Caisson shovel),并在1971年将6台新开发的高效挖掘机应用于阪神高速公路大阪南港联络桥—港大桥工程中,从此气压沉箱工法开始进入真正的机械化施工时代。一台挖掘机的工作能力相当于过去10几个作业人员的人工挖掘能力,从而较大地提高了工作效率、缩短了工期、降低了工程造价。

1969年以后,小型的气压沉箱基础基本上被大口径的现场灌筑桩所取代,地铁车站、地下储藏罐、地下停车场、建筑物的地下室等地下工程,也逐渐被地下连续墙技术取代而采用明挖法施工,气压沉箱技术的应用范围进一步缩小。为了从这种不利的环境中摆脱出来,给气压沉箱基础工法注入新的技术活力,从而夺回其应有的建设市场,有关研究开发部门及建设会社不得不对气压沉箱工法做进一步技术革新,增强其竞争能力。通过无数次努力,终于在1981年开发成功了大气压环境圆筒状操作室内远距离操作系统,基本上实行无人化施工。从工作室顶板上设置一个突出圆筒状操作工程室,室内环境为一个大气压,操作员在工作室内通过耐高压的玻璃窗用肉眼观察挖掘机等情况,同时进行远距离操作。下部的土层挖掘全部采用无人化施工。 通过采用这种远距离操控无人化挖掘施工系统,不仅可以将作业员从过去的高气压工作环境中解放出来,同时也大大地提高了施工效率,大幅度降低了工程费用,从而使气压沉箱技术在施工效率及经济性方面得到了一个飞跃性的进步。 

为解决大深度施工时工作人员临时性高气环境的作业等问题,1988年白石会社联合东京医科齿科大学,海洋科学技术研究中心共同研究开发了周围环境压力7kgf/cm2(相当于水面下70m)的作业呼吸系统。此项开发技术的成功使得无人自动化气压沉箱技术,更向前进了一步,即将特殊的呼吸系统与无人化自动化相结合,使得大深度的气压沉箱基础施工成为可能。1995年日本道路公团名港西大桥二期工程就采用这种技术。名港西大桥二期工程P2,P3桥墩基础都是面积超过1000m2的大型气压沉箱基础,深度分别是45m,40m,而且一期工程与二期工程基础中心线的间隔50.875m,基础侧壁的间隔仅为13.375m,为了避免二期工程的施工给一期工程的结构带来不良影响,不能采用降水减压的施工方法,另一方面,工程施工的理论气压分别是4.5kgf/cm2和4.0kgf/cm2,它超过人体的耐压界限,但是由于采用了最新的呼吸保护系统技术,工程顺利如期完成。

2)国内发展

1933年至1937年,茅以升任钱塘江大桥工程处处长,主持修建我国第一座公路铁路兼用的现代化大桥———“钱塘江大桥”。桥墩基础首先采用“沉箱法”,将钢筋混凝土做成的箱子口朝下沉入水中罩在江底,再用高压气挤走箱里的水,工人在沉箱里挖砂作业,使沉箱与木桩逐步结为一体。沉箱上再筑桥墩。 

1950年以来,沉井技术在我国得到广泛的应用和发展,桥梁基础、矿山竖井、地下储库、取排水泵站、盾构与顶管工作井等大量采用沉井法施工。1965年,上海地铁衡山路试验工程02竖井(22.8m×10.3m,深21.8m)采用沉井法施工,104车站(60m×20m,深20m)采用气压沉箱法施工。

1966年开工的上海打浦路隧道工程,6个竖井全部采用沉井法施工,最大深度30.5m,其中2号竖井(17m×15.9m,深29.3m) 采用气压沉箱法施工。隧道矩形暗埋段采用新开发的连续沉井技术,420m长的浦东矩形暗埋段分成19座沉井连续下沉施工,该技术成果获1978年全国科学大会奖。

1981年,山东某煤矿采用沉井法施工一个6m内径的竖井,下沉深度达192m,偏斜率仅为1.5%。

1985年施工的延安东路隧道2号竖井24m×27.9m,深33m,考虑周围环境保护要求,采用不排水下沉,挖土采用自行研制的钻吸机,由潜水电钻加水枪破土和泥浆泵排浆,施工效率高,对沉井周边影响小。

1985年至1992年,上海许多大型取排水地下泵房工程采用沉井法施工,最大泵房的平面尺寸达52m×40m,深度为18m。圆形沉井直径达86m。

1996年施工的江阴长江大桥北锚墩沉井工程,平面尺寸大69m×51m,深58m,为大型深沉井。沉井平面分为36个隔舱,下沉施工,先30m采用排水下沉,后28m采用不排水下沉。下沉施工采用反循环钻削式吸泥机钻孔,配合高压水冲土,泥浆泵排浆。考虑到下沉施工对周围土体的影响,采用了对土体扰动较小的空气幕技术。

2006年,上海基础工程公司在消化吸收日本自动化挖土气压沉箱技术的基础上,自主研制和开发成功远程控制无人化自动挖土气压沉箱技术,并应用于上海轨道交通7号线的某中间风井。沉箱平面尺寸25.24m×16.6m,深29m。技术成果获2009年上海市科技进步一等奖。

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