"現(xiàn)代氣壓沉箱"施工技術(shù)與配套設(shè)備通過驗收
由上海市建工集團基礎(chǔ)工程公司牽頭,聯(lián)合上海交通大學(xué)開發(fā)實施的2004年度市科委重大攻關(guān)科研課題“現(xiàn)代氣壓沉箱設(shè)計施工技術(shù)與設(shè)備研究”于2007年11月10日結(jié)題并通過專家組驗收,宣告了人工挖土成為歷史,工人們再也不擔(dān)心會患職業(yè)病,而只要舒適地坐在地面上的空調(diào)機房里,操縱地下的機器手臂,就能高效地完成艱巨的開挖任務(wù)。
隨著城市開發(fā)建設(shè)的不斷深入,城市土地資源越來越稀缺,城市地下空間的開發(fā)正成為未來城市發(fā)展的趨勢,上海面臨著土地緊張、交通擁塞等影響城市可持續(xù)發(fā)展的問題。實踐證明,通過城市地下空間的合理開發(fā)利用,走內(nèi)涵式的城市發(fā)展之路,是解決城市可持續(xù)發(fā)展問題的合理途徑。上海市科學(xué)技術(shù)委員會2004年度成立了“城市地下空間開發(fā)應(yīng)用核心技術(shù)和關(guān)鍵問題研究”重大科技攻關(guān)項目,旨在為加強地下空間開發(fā)利用統(tǒng)一規(guī)劃與管理,實現(xiàn)地下空間開發(fā)利用模式的轉(zhuǎn)換,為建立和完善地下空間開發(fā)利用運機制提供充分的理論依據(jù)與完備的技術(shù)保障。
現(xiàn)代氣壓沉箱工法是地下空間進一步開發(fā)的一項關(guān)鍵性新技術(shù),在城市中心建筑物密集區(qū)開挖建設(shè)大深度地下空間,往往面臨施工場地狹小、周圍重要設(shè)施眾多的情況;同時,地下施工在開挖時往往會引起地下水位的降低,周圍地基的移動與下沉,嚴重時可能會引起周圍地基的塌陷,給鄰近地區(qū)帶來比較嚴重的影響;另外,市區(qū)地鐵、地下高速道路、共同溝以及豎井風(fēng)井系統(tǒng)工程的施工往往受到各方面的限制。相比之下,氣壓沉箱工法在許多情況下能適應(yīng)以上這些方面的需求,因而在工程中具有不可替代的競爭力及廣泛的應(yīng)用前景。
作為科委“城市地下空間開發(fā)應(yīng)用核心技術(shù)和關(guān)鍵問題研究”重大科技攻關(guān)項目的組成部分,本課題研究團隊采用產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的模式,由上海市基礎(chǔ)工程公司牽頭、攜手上海交通大學(xué),基于實際工程背景,充分利用各種技術(shù)資源、優(yōu)化配置、優(yōu)勢互補、集成創(chuàng)新。
上海市基礎(chǔ)工程公司以施工工藝創(chuàng)新為主線,著手自主開發(fā)研制現(xiàn)代氣壓沉箱關(guān)鍵設(shè)備-無人化遙控式沉箱挖掘機、無排氣螺旋出土機等,結(jié)合工藝創(chuàng)新進行了適應(yīng)現(xiàn)代氣壓沉箱的設(shè)計研究與施工技術(shù)研究,以及檢修環(huán)境下的生命保障系統(tǒng)研究,形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備系統(tǒng)、工法規(guī)程成果。上海交大以理論研究的優(yōu)勢對工程進行了的原創(chuàng)性的施工理論研究,得出了很多對工程有指導(dǎo)意義的數(shù)值依據(jù),交大機器人研究所還為本工程開發(fā)了獨創(chuàng)性的沉箱三維地貌控制與多參數(shù)信號監(jiān)控系統(tǒng),用于沉箱氣壓自動調(diào)節(jié)、空氣成分分析、防撞報警系統(tǒng)等,使我國的現(xiàn)代氣壓沉箱技術(shù)發(fā)展在起步時就站上了高起點。
在申通集團的大力支持下,課題組以上海市軌道交通7號線(M7線)工程浦江站~耀華站區(qū)間中央風(fēng)井工程為研究背景,對現(xiàn)代氣壓沉箱的理論分析、設(shè)計方法和施工工藝、設(shè)備的研究制造進行了全方位、系統(tǒng)性和集成性的研究。該風(fēng)井平面外形尺寸25.24m×15.6m,下沉深度29m多。目前,這一我國首例以現(xiàn)代氣壓沉箱工法實施的工程已獲得成功,各項工程質(zhì)量控制指標相當(dāng)理想,實現(xiàn)了工程施工對周圍環(huán)境影響微小的預(yù)期目標。
在該項工程的實施過程中,操作人員只需在黃浦江邊的地面操作間里,遙控位于地下13米處的機器手臂挖掘風(fēng)井,就能完成開挖任務(wù)。顯示屏上出現(xiàn)的挖掘區(qū),實際上是一個高壓箱,從高壓箱露出地面的刻度上可以看到,隨著挖掘的進行,箱體以每分鐘兩厘米的速度不斷下探?,F(xiàn)在采用的氣壓沉箱法則是把一個底部開口的混凝土氣壓箱壓入土里,然后往箱底輸入空氣加壓,底層土受到壓力后,土里的地下水就不會滲出,機器臂則在這樣的高壓環(huán)境中把土挖出。
工程人員高興地告訴記者,該工藝不但突破以往氣壓沉箱以人工挖土為主,作業(yè)空間小、氣壓高、溫度高、噪音大、危險性大、工作效率低、容易患“沉箱病”等瓶頸,而且與傳統(tǒng)工藝相比,能有效避免坑底隆起和流沙管涌現(xiàn)象,從而實現(xiàn)有效控制周邊環(huán)境的沉降、位移,有效保證了地面建筑的安全,在城市建設(shè)應(yīng)用的前景廣闊。
背景:技術(shù)創(chuàng)新點
現(xiàn)代氣壓沉箱工法是地下空間進一步開發(fā)的一項關(guān)鍵性新技術(shù),對相關(guān)理論研究、設(shè)計與施工均提出了諸多挑戰(zhàn)性問題,給現(xiàn)代氣壓沉箱研究提出了新的課題。
在理論與設(shè)計方面:不僅要考慮施工動態(tài)全過全中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性,沉箱下沉過程中對周邊環(huán)境的影響,尚需考慮氣壓下土體變化及沉箱下沉的影響。
在施工方面:我國過去的氣壓式沉箱施工以人工為主,工人要在2~4個大氣壓下的地下作業(yè)室內(nèi)進行挖掘工作,條件比較艱苦,又比較危險。工作效率低下,沉箱下部工作空間小、氣壓高、溫度大、噪音大,因此在這種空間內(nèi)工作,有壓迫感、緊張感,由于減壓順序的控制不當(dāng)容易患較嚴重的職業(yè)病(稱為沉箱病)。國際上,尤其是日本,為增強這種工法在深基礎(chǔ)領(lǐng)域內(nèi)的競爭能力,結(jié)合其先進的科學(xué)技術(shù)對該工法進行革新和改良,采用了無人化、自動化和信息化施工,因此研究現(xiàn)代氣壓沉箱施工工藝和無人化、自動化的施工設(shè)備進行開發(fā)和研制。
該項目的創(chuàng)新點:本課題利用試點工程,對理論分析、設(shè)計、施工和施工設(shè)備進行了全方位、系統(tǒng)的研究。目前課題所依托背景工程已成功實施,課題研究取得了眾多創(chuàng)新性成果,形成了現(xiàn)代氣壓沉箱理論分析、設(shè)計方法、成套設(shè)備和施工技術(shù)。
1 通過理論研究并結(jié)合實測結(jié)果,給出了氣壓沉箱刃腳的極限承載力的計算公式,通過室內(nèi)試驗給出了氣壓沉箱下沉摩阻力的參考值,為今后氣壓沉箱的設(shè)計與施工提供了科學(xué)依據(jù)。
2 在氣壓沉箱設(shè)計過程中,對大型商用程序進行了二次開發(fā),并成功應(yīng)用于復(fù)雜工況下沉箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計,結(jié)合實測結(jié)果反饋進行設(shè)計修正,為現(xiàn)代氣壓沉箱的設(shè)計及今后相應(yīng)規(guī)范的制訂提供了科學(xué)依據(jù)。
3自主開發(fā)、研究并制造了現(xiàn)代氣壓沉箱成套設(shè)備,填補了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白,其中無排氣螺旋出土機系統(tǒng)為國際首創(chuàng)。
4 形成了一整套現(xiàn)代氣壓沉箱的施工工藝,其中的氣壓自動調(diào)節(jié)、下沉糾偏控制、支承和壓沉自主糾偏一體化系統(tǒng)、在氣壓下混凝土自密實沉箱封底技術(shù)均為國內(nèi)首創(chuàng)。編制了完整的施工操作規(guī)程。
5 研制了維修人員在高氣壓環(huán)境作業(yè)下的生命保障系統(tǒng),該系統(tǒng)的實用性在試點工程中得到驗證,有效地保障了高氣壓作業(yè)人員健康安全。
6 研制了三維地貌顯示系統(tǒng),該系統(tǒng)能實時清晰地反映沉箱內(nèi)挖掘機械位置和土體表面的實際情況,為沉箱順利下沉提供精確的控制數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)未見文獻報導(dǎo)。
7 在總結(jié)理論、設(shè)計、施工和管理等方面的研究成果的基礎(chǔ)上,編制了現(xiàn)代氣壓沉箱的技術(shù)規(guī)程,為推廣現(xiàn)代氣壓沉箱技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
8 將自主研發(fā)成果進行集成,并成功應(yīng)用于國內(nèi)首例實際工程中,結(jié)果表明,現(xiàn)代氣壓沉箱工法對周邊環(huán)境影響小、社會經(jīng)濟效益顯著,對城市密集建筑群區(qū)的地下空間開發(fā)有著不可替代的優(yōu)越性。
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