第4章現代氣壓沉箱工藝與施工技術

1、城市地下空間建設新技術住房和城鄉(xiāng)建設部執(zhí)業(yè)資格注冊中心2014年10月24-26日全國注冊土木工程師（巖土）繼續(xù)教育必修教材全國師資培訓班4.1 概述4.2 技術 介紹4.3 工程應用4.4 小結第4章 現代氣壓沉箱工藝與施工技術 4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理p工法原理：工法原理：在沉箱下部設置一在沉箱下部設置一個氣密性高的鋼筋混凝土結構工個氣密性高的鋼筋混凝土結構工作室，并向工作室內注入壓力與作室，并向工作室內注入壓力與刃口處地下水壓力相等的壓縮空刃口處地下水壓力相等的壓縮空氣，使在無水的環(huán)境下進行無人氣，使在無水的環(huán)境下進行無人化遠程遙控

2、挖土排土，箱體在本化遠程遙控挖土排土，箱體在本身自重以及上部荷載的作用下下身自重以及上部荷載的作用下下沉到指定深度后，在沉箱結構面沉到指定深度后，在沉箱結構面底部澆筑混凝土底板的一種地下底部澆筑混凝土底板的一種地下工程施工方法。工程施工方法。4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理在地面上完成構作物的結構在地面上完成構作物的結構這個原理適用于沉箱這個原理適用于沉箱工作室工作室4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理沉入地底下后，水就涌入了工作室沉入地底下后，水就涌入了工作室4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉

3、箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理作業(yè)室空氣壓力等于外水壓力，施工才可能進行作業(yè)室空氣壓力等于外水壓力，施工才可能進行。4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理p突出優(yōu)勢：突出優(yōu)勢：利用利用氣體壓力平衡箱體外水壓力氣體壓力平衡箱體外水壓力，沉箱底土體在無水狀態(tài)下進行無人化遠程遙，沉箱底土體在無水狀態(tài)下進行無人化遠程遙控開挖，通過遠程監(jiān)視系統(tǒng)，沉箱在下沉過程控開挖，通過遠程監(jiān)視系統(tǒng)，沉箱在下沉過程中可以直接辯別并較方便地處理地下障礙物，中可以直接辯別并較方便地處理地下障礙物，同時避免了坑底隆起和流砂管涌現象。相比常同時避免了坑底隆起和流砂管涌現象。相比

4、常規(guī)的沉井施工方法，智能化氣壓沉箱施工方法規(guī)的沉井施工方法，智能化氣壓沉箱施工方法由于氣壓反力的作用，箱體容易糾偏和控制下由于氣壓反力的作用，箱體容易糾偏和控制下沉速度，可以防止突沉、超沉，且周邊地層沉沉速度，可以防止突沉、超沉，且周邊地層沉降小，對環(huán)境影響?。幌啾鹊叵逻B續(xù)墻施工方降小，對環(huán)境影響小；相比地下連續(xù)墻施工方法，可顯著減少圍護結構的插入深度，具有可法，可顯著減少圍護結構的插入深度，具有可觀的經濟性。觀的經濟性。4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理還有還有20cm20cm左右左右水位連動型水位連動型壓力自動控制裝置壓力自動控制裝置微調作業(yè)氣

5、壓微調作業(yè)氣壓（可以可以10cm10cm的精度調整的精度調整）作業(yè)氣壓設在只比肋腳底部低一點點的地方作業(yè)氣壓設在只比肋腳底部低一點點的地方（水頭水頭20cm20cmMPa MPa 左右左右）氣壓沉箱工法因為延垂直方向下沉結構氣壓沉箱工法因為延垂直方向下沉結構體，所以能防止漏氣引發(fā)的事故。體，所以能防止漏氣引發(fā)的事故。氣壓沉箱的壓氣氣壓沉箱的壓氣 （垂直方向垂直方向）4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理余土寬度的調整余土寬度的調整軟土軟土硬質硬質4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理p適用范圍：適用范圍：智能化

6、氣壓沉箱施工技術可智能化氣壓沉箱施工技術可適用于軟土、黏土、砂性土和碎適用于軟土、黏土、砂性土和碎( (卵卵) )石類石類土及軟硬巖等各種地質條件，適合在城市土及軟硬巖等各種地質條件，適合在城市建筑密集區(qū)，周邊環(huán)境復雜，地表沉降要建筑密集區(qū)，周邊環(huán)境復雜，地表沉降要求高，對周邊建筑保護力度大的區(qū)域進行求高，對周邊建筑保護力度大的區(qū)域進行深基坑建設，以及舊城改造區(qū)域障礙物較深基坑建設，以及舊城改造區(qū)域障礙物較多時采用，并可以向大深度、大面積的方多時采用，并可以向大深度、大面積的方向發(fā)展，滿足城市地下空間的開發(fā)需求。向發(fā)展，滿足城市地下空間的開發(fā)需求。目前開挖深度可達目前開挖深度可達40m40m。

7、 p適用范圍：適用范圍：智能化氣壓沉箱施工技術可智能化氣壓沉箱施工技術可適用于軟土、黏土、砂性土和碎適用于軟土、黏土、砂性土和碎( (卵卵) )石類石類土及軟硬巖等各種地質條件，適合在城市土及軟硬巖等各種地質條件，適合在城市建筑密集區(qū)，周邊環(huán)境復雜，地表沉降要建筑密集區(qū)，周邊環(huán)境復雜，地表沉降要求高，對周邊建筑保護力度大的區(qū)域進行求高，對周邊建筑保護力度大的區(qū)域進行深基坑建設，以及舊城改造區(qū)域障礙物較深基坑建設，以及舊城改造區(qū)域障礙物較多時采用，并可以向大深度、大面積的方多時采用，并可以向大深度、大面積的方向發(fā)展，滿足城市地下空間的開發(fā)需求。向發(fā)展，滿足城市地下空間的開發(fā)需求。目前開挖深度可達

8、目前開挖深度可達40m40m。 4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理民營大樓的地下室民營大樓的地下室首都高速大宮首都高速大宮JRJR下的沉箱下的沉箱4.1 概述4.1.1 4.1.1 氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱工法的工藝原理氣壓沉箱基礎：氣壓沉箱基礎：沉箱形似有頂蓋的沉沉箱形似有頂蓋的沉井。沉箱基礎是一種較好的施工方法井。沉箱基礎是一種較好的施工方法和基礎型式。當沉箱就位后，將壓縮和基礎型式。當沉箱就位后，將壓縮空氣壓入沉箱室的內部，排出存在于空氣壓入沉箱室的內部，排

9、出存在于工作室中的水，施工人員在箱內進行工作室中的水，施工人員在箱內進行挖土施工，并且通過升降筒和氣閘，挖土施工，并且通過升降筒和氣閘，把棄土外運，從而使沉箱在自重和頂把棄土外運，從而使沉箱在自重和頂面壓重的作用下逐步下沉至設計標高面壓重的作用下逐步下沉至設計標高，最后用混凝土填實工作室。，最后用混凝土填實工作室。4.1 概述4.1.2 4.1.2 氣壓沉箱工法與沉井工法的區(qū)別氣壓沉箱工法與沉井工法的區(qū)別沉井基礎：沉井基礎：是以沉井作為基是以沉井作為基礎結構，將上部荷載傳至地礎結構，將上部荷載傳至地基的一種深基礎。沉井是一基的一種深基礎。沉井是一種四周有壁、下部無底、上種四周有壁、下部無底、上

10、部無蓋、側壁下部有刃腳的部無蓋、側壁下部有刃腳的筒形結構物。沉井通常用鋼筒形結構物。沉井通常用鋼筋混凝土制成。它通過從井筋混凝土制成。它通過從井孔內挖土，借助自身的重量孔內挖土，借助自身的重量來克服井壁的摩阻力下沉至來克服井壁的摩阻力下沉至設計標高。設計標高。沉井基礎的特點是埋深大、整體性強、穩(wěn)沉井基礎的特點是埋深大、整體性強、穩(wěn)定性好，能承受較大的豎向作用和水平作定性好，能承受較大的豎向作用和水平作用。沉井井壁既是基礎的一部分，又是施用。沉井井壁既是基礎的一部分，又是施工時的檔土和擋水結構物，施工工藝也不工時的檔土和擋水結構物，施工工藝也不復雜。復雜。4.1 概述4.1.3 4.1.3 氣壓

11、沉箱工法的工藝流程氣壓沉箱工法的工藝流程4.1 概述4.1.3 4.1.3 氣壓沉箱工法的工藝流程氣壓沉箱工法的工藝流程砂土胚模肋腳金屬物墊板整平沉箱裝配所用的地坪，整平沉箱裝配所用的地坪，建砂土胚模建砂土胚模（澆注工作室底澆注工作室底板混凝土時的模板支架板混凝土時的模板支架）。肋腳金屬物砂土胚模4.1 概述4.1.3 4.1.3 氣壓沉箱工法的工藝流程氣壓沉箱工法的工藝流程工作室底板在地面上，建造最初的底在地面上，建造最初的底板結構板結構（能確保沉箱施工能確保沉箱施工的剛性所需的高度位置的剛性所需的高度位置）4.1 概述4.1.3 4.1.3 氣壓沉箱工法的工藝流程氣壓沉箱工法的工藝流程挖掘

12、開口 材料艙人艙設置用于搬運施工資材的設置用于搬運施工資材的塔吊塔吊、用于搬運砂土的材用于搬運砂土的材料艙、作業(yè)人員出入涵箱料艙、作業(yè)人員出入涵箱的人艙、舾裝設備等的人艙、舾裝設備等。4.1 概述4.1.3 4.1.3 氣壓沉箱工法的工藝流程氣壓沉箱工法的工藝流程沉箱鏟車地面遠程操作室遠程操作盤無人挖掘機挖掘挖掘 搬出箱內砂土的同時，控制沉降，將結搬出箱內砂土的同時，控制沉降，將結構體沉至所規(guī)定的深度構體沉至所規(guī)定的深度。4.1 概述4.1.3 4.1.3 氣壓沉箱工法的工藝流程氣壓沉箱工法的工藝流程舾裝解體回 填水荷載地下混凝土沉至所定深度后，在工作沉至所定深度后，在工作室內填入地下混凝土，

13、使室內填入地下混凝土，使其與結構體一體化。然后，其與結構體一體化。然后，搬出設備，進行回填。搬出設備，進行回填。4.2 技術介紹4.2.1 4.2.1 氣壓沉箱工法的功能系統(tǒng)氣壓沉箱工法的功能系統(tǒng)p氣壓沉箱工法主要設備系統(tǒng)包括：氣壓沉箱工法主要設備系統(tǒng)包括：（1 1）遙控沉箱液壓挖機研制；）遙控沉箱液壓挖機研制；（2 2）遠程遙控系統(tǒng)研制；）遠程遙控系統(tǒng)研制；（3 3）液壓升降出土皮帶機研制；）液壓升降出土皮帶機研制；（4 4）物料出入塔的研制；）物料出入塔的研制；（5 5）人員出入塔研制；）人員出入塔研制；（6 6）螺旋出土機研制；）螺旋出土機研制；（7 7）地下（挖掘操作）監(jiān)視系統(tǒng)；）地下

14、（挖掘操作）監(jiān)視系統(tǒng)；（8 8）供排氣系統(tǒng)；）供排氣系統(tǒng)；（9 9）3D3D地貌顯示系統(tǒng)；地貌顯示系統(tǒng)；（1010）移動氧艙；）移動氧艙；（1111）其它輔助設備。）其它輔助設備。 4.2 技術介紹4.2.1 4.2.1 氣壓沉箱工法的功能系統(tǒng)氣壓沉箱工法的功能系統(tǒng)p氣壓沉箱內部主要設備：氣壓沉箱內部主要設備： （1 1）物料塔）物料塔 （2 2）人員塔）人員塔 （3 3）螺旋出土機）螺旋出土機 （4 4）遙控挖機、）遙控挖機、 （5 5）皮帶出土機）皮帶出土機 （6 6）地下監(jiān)控系統(tǒng)設備）地下監(jiān)控系統(tǒng)設備 （7 7）地下照明）地下照明 （8 8）通訊設備）通訊設備4.2 技術介紹4.2.2

15、4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p氣壓沉箱存在兩級系統(tǒng)：氣壓沉箱存在兩級系統(tǒng)： （1 1）地下開挖卸載的工作系統(tǒng)）地下開挖卸載的工作系統(tǒng) （2 2）地面的管理與操作系統(tǒng)）地面的管理與操作系統(tǒng) （3 3）要進行兩級的無縫對接：對）要進行兩級的無縫對接：對地下要有快速的識別地下要有快速的識別地貌與信號地貌與信號監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)4.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p常規(guī)氣壓沉箱的地下地上交流存在的問題：常規(guī)氣壓沉箱的地下地上交流存在的問題：現代氣壓沉箱施工過程中無人進箱，管理人員現代氣壓沉箱施工過程中無人進箱，管理人員僅通過僅通過攝像機傳來

16、的圖像攝像機傳來的圖像來來觀察觀察沉箱工作情況沉箱工作情況，不能對沉箱工作室內地貌挖掘情況進行，不能對沉箱工作室內地貌挖掘情況進行有效有效測量測量，也無法形成真實感的沉箱工作室場景。，也無法形成真實感的沉箱工作室場景。同時挖掘機操作人員是通過觀察攝像機二維圖同時挖掘機操作人員是通過觀察攝像機二維圖像來操縱挖掘機，操作人員缺乏身臨其境的感像來操縱挖掘機，操作人員缺乏身臨其境的感覺。其次在多部挖掘機協(xié)同作業(yè)，在協(xié)同作業(yè)覺。其次在多部挖掘機協(xié)同作業(yè)，在協(xié)同作業(yè)的過程中，的過程中，挖掘機容易發(fā)生碰撞挖掘機容易發(fā)生碰撞。 4.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p3

17、D3D地貌與信號監(jiān)測系統(tǒng)：地貌與信號監(jiān)測系統(tǒng)：可對沉箱可對沉箱工作室內地貌挖掘情況進行有效測量工作室內地貌挖掘情況進行有效測量和三維顯示，并有效警示多部挖掘機和三維顯示，并有效警示多部挖掘機協(xié)同作業(yè)中的相互碰撞。協(xié)同作業(yè)中的相互碰撞。p系統(tǒng)主要包括：系統(tǒng)主要包括：（1 1）系統(tǒng)硬件；）系統(tǒng)硬件；（2 2）三維數據；）三維數據；（3 3）3D3D地貌建模研究與實現；地貌建模研究與實現；（4 4）數據庫系統(tǒng)。）數據庫系統(tǒng)。 4.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p 系統(tǒng)可實現的主要功能：系統(tǒng)可實現的主要功能：（1 1）利用激光掃描技術，開發(fā)了一套三維激光掃描

18、系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用）利用激光掃描技術，開發(fā)了一套三維激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)可適用沉箱環(huán)境，實現沉箱沉箱環(huán)境，實現沉箱3D3D地貌數據掃描功能。地貌數據掃描功能。（2 2）研究開發(fā)了氣壓沉箱）研究開發(fā)了氣壓沉箱3D3D地貌建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用地貌建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用OpenGLOpenGL實現了實現了3D3D地貌的實時建模地貌的實時建模. .并可實時測量沉箱工作室地面任意處的挖掘深度。并可實時測量沉箱工作室地面任意處的挖掘深度。（3 3）采用傾角傳感器，實時測量沉箱體的）采用傾角傳感器，實時測量沉箱體的X X和和Y Y軸的傾角值，利用此值實軸的傾角值，利用此值實時測量沉箱體的四角高差，實現了對沉箱

19、體姿態(tài)的實時監(jiān)視。時測量沉箱體的四角高差，實現了對沉箱體姿態(tài)的實時監(jiān)視。（4 4）采用激光測距儀等傳感器實時測量挖掘機的位置，實現了挖掘的實）采用激光測距儀等傳感器實時測量挖掘機的位置，實現了挖掘的實時位置顯示和挖掘機避碰智能語音報警。時位置顯示和挖掘機避碰智能語音報警。（5 5）開發(fā)了）開發(fā)了3D3D地貌顯示系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等一整套軟件。地貌顯示系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等一整套軟件。（6 6）該）該3D3D地貌與信號監(jiān)測系統(tǒng)硬件軟件經過工程應用檢驗了其成效，為地貌與信號監(jiān)測系統(tǒng)硬件軟件經過工程應用檢驗了其成效，為工程的順利實施提供了信息保證。工程的順利實施提供了信息保證。 4

20、.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 沉箱地貌三維建模流程圖沉箱地貌三維建模流程圖 p沉箱地貌三維建模流程沉箱地貌三維建模流程 4.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p云圖像及深度測量云圖像及深度測量 4.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p三維面及測量三維面及測量 4.2 技術介紹4.2.2 4.2.2 地貌與信號監(jiān)測技術地貌與信號監(jiān)測技術 p數據庫系統(tǒng)數據庫系統(tǒng) 4.2 技術介紹4.2.3 4.2.3 氣壓沉箱結構設計技術氣壓沉箱結構設計技術 （1）沉箱設計要點）沉箱設計要

21、點 p沉箱結構設計要點：沉箱結構設計要點：重點要解決強度重點要解決強度、變形、穩(wěn)定等安全性；、變形、穩(wěn)定等安全性；p沉箱設計主要內容：沉箱設計主要內容：沉箱結構尺寸確沉箱結構尺寸確定、下沉穩(wěn)定性分析與結構內力變形分定、下沉穩(wěn)定性分析與結構內力變形分析、沉箱支承、壓沉及自主糾偏一體化析、沉箱支承、壓沉及自主糾偏一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)。p需要解決的問題：需要解決的問題：（1 1）沉箱結構設計）沉箱結構設計；（；（2 2）下沉穩(wěn)定性計算與抗浮驗算；）下沉穩(wěn)定性計算與抗浮驗算；（3 3）結構分析；（）結構分析；（4 4）沉箱支承、壓沉）沉箱支承、壓沉裝置的設計與研究；（裝置的設計與研究；（5 5）對施工反饋

22、）對施工反饋的設計修正與總結。的設計修正與總結。 4.2 技術介紹4.2.4 4.2.4 現代氣壓沉箱工藝與施工技術現代氣壓沉箱工藝與施工技術 p總體工法涉及到的專項技術包括：總體工法涉及到的專項技術包括：（1 1）現代氣壓沉箱施工工藝；）現代氣壓沉箱施工工藝；（2 2）氣壓沉箱下沉控制技術；包括氣壓自動調節(jié)系統(tǒng)、出土控制系統(tǒng)、支承及壓沉）氣壓沉箱下沉控制技術；包括氣壓自動調節(jié)系統(tǒng)、出土控制系統(tǒng)、支承及壓沉系統(tǒng)及相互間的協(xié)調系統(tǒng)；系統(tǒng)及相互間的協(xié)調系統(tǒng)；（3 3）氣壓下沉箱混凝土自密實封底技術；）氣壓下沉箱混凝土自密實封底技術；（5 5）高氣壓環(huán)境下作業(yè)的技術；）高氣壓環(huán)境下作業(yè)的技術；（6

23、6）編制現代新型氣壓沉箱施工規(guī)程，其中包括高氣壓環(huán)境下的操作規(guī)程等。）編制現代新型氣壓沉箱施工規(guī)程，其中包括高氣壓環(huán)境下的操作規(guī)程等。4.2 技術介紹4.2.4 4.2.4 現代氣壓沉箱工藝與施工技術現代氣壓沉箱工藝與施工技術 p工法涉及到的專用裝備：工法涉及到的專用裝備：自動挖機4.2 技術介紹4.2.4 4.2.4 現代氣壓沉箱工藝與施工技術現代氣壓沉箱工藝與施工技術 p工法涉及到的專用裝備：工法涉及到的專用裝備：監(jiān)控、遙控挖機系統(tǒng)4.2 技術介紹4.2.4 4.2.4 現代氣壓沉箱工藝與施工技術現代氣壓沉箱工藝與施工技術 p工法涉及到的專用裝備：工法涉及到的專用裝備：螺旋出土機4.2 技

24、術介紹4.2.4 4.2.4 現代氣壓沉箱工藝與施工技術現代氣壓沉箱工藝與施工技術 p工法涉及到的專用裝備：工法涉及到的專用裝備：醫(yī)療減壓艙4.3 工程應用上海市軌道交通上海市軌道交通7 7號線號線12A12A標南浦站標南浦站 耀華站中間風井工程耀華站中間風井工程 4.3.1 4.3.1 工程概況工程概況 本工程為浦江南浦站浦江耀華本工程為浦江南浦站浦江耀華站區(qū)間的一個中間風井工程，位站區(qū)間的一個中間風井工程，位于原上海浦東鋼鐵（集團）有限于原上海浦東鋼鐵（集團）有限公司內材料場，風井主體為全埋公司內材料場，風井主體為全埋地下四層結構，平面外包尺寸為地下四層結構，平面外包尺寸為25.24m25.24m15.6m15.6m，風井頂板以下高，風井頂板以下高度為度為27m27m，結構頂板面標高，結構頂板面標高3.938m3.938m。主體結構采用氣壓沉箱施工工。主體結構采用氣壓沉箱施工工藝，總下沉深度藝，總下沉深度29.062m29.