基坑工程 气压沉箱施工.docx

基坑工程气压沉箱施工1原理和特点1.气压沉箱施工的原理是在沉箱下部预先构筑底板，在沉箱下部形成一个气密性高的混凝土结构工作室，向工作室内注入压力与刃口处地下水压力相等的压缩空气，在无水的环境下进行取土排土，箱体在本身自重以及上部荷载的作用下下沉到指定深度，然后进行封底施工。由于工作室内气压的气垫作用，可使沉箱平稳下沉；同时由于工作室气压可平衡外界水压力，因此下沉过程中可防止基坑隆起，涌水涌砂现象，尤其是在含承压水层中施工时工作室内气压可平衡水头压力，无需地面降水，从而可减轻施工对周边环境的影响。2 .气压沉箱施工工艺与步骤（如下：场地平整T作业室的构筑一运输出入口的设置T下沉开挖与沉箱体的浇筑一基底混凝土的浇筑与竖井的撤去。（a）场地平整；（b）作业室构筑；（C）运输出入口设置；（d）下沉及制作；（e）基底混凝土浇筑3 .气压沉箱施工优点。气压沉箱施工方法与传统施工方法相比，气压沉箱施工在深基础（深基坑）等地下建（构）筑物施工中具有诸多的独特优点：（1）气压沉箱的侧壁可以兼作挡土结构，与地下连续墙明挖法相比，工程量减少而结构刚度大且用气压沉箱施工减少了临时设施用地,可以充分利用狭小的施工空间资源。（2）由于连续地向沉箱底部的工作室内注入与地下水压力相等的压缩空气，因而可以避免坑底隆起和流砂管涌现象从而控制周围地基的沉降。(3)现代化的气压沉箱技术可以在地面上通过远程控制系统，在无水的地下作业室内实现挖排土的无人机械自动化。(4)相比沉井施工，可以较快地处理地下障碍物，使工程能顺利进行。沉箱顶板封闭后，在下沉的同时可继续在顶板上往上施工内部结构，不需向沉井那样过多受地基承载力限制。(5)工作室内的压缩空气起到了气垫作用，可以消除急剧下沉的危险情况，同时容易纠偏和控制下沉速度及防止超沉，保证了安全和施工质量。(6)气压沉箱利用气压平衡箱外水压力，作业空间处于无水状态，不需要对箱外高水头地下水及承压水进行降水和降压处理。(7)由于沉箱以气压平衡高水头压力差，相比一般的板围护体系如地下连续墙、排桩等,可显著减少插入深度,并能有效起到反压作用，对控制承压水破坏有利，性价比可观。(8)适用于各种地质条件，诸如软土、黏土、砂性土、碎(卵)石类土及软硬岩等。2施工机械与设备气压沉箱的施工工艺有其特殊性，因此相应的施工机械设备也比较特殊，有些机械设备比较复杂，多种设备相互配合使用才能形成系统。这些设备与系统都需与工程实际相结合,满足工程结构的条件，因此所有的设备参数都应满足实际工程的实施。(1)沉箱遥控液压挖机。遥控液压挖机是气压沉箱施工中最关键的设备之一，该设备的挖土作业代替了以往的人力挖土,能在地面操作室内用遥控的方法进行机械挖掘作业。(2)远程遥控系统。在远控室内加一套远程控制阀、比例阀，分别控制挖机的行走油马达、回转油马达、斗铲油缸、斗杆油缸、动臂油缸的动作。(3)液压升降皮带出土机。可以配合螺旋出土机出土的要求；满足气压沉箱内设备布置的空间要求；符合遥控挖机的装土、卸土动作的空间尺寸的要求。(4)物料出入塔。物料塔由气闸门、塔身标准接高段、气密门、预埋段、上部的工作平台及其他附属装置,如液压启闭设备、放排气阀、消声器、压力表、电气控制设备等组成。(5)人员出入塔。人员出入塔由过渡舱段、气密门舱段、塔身标准段接高段、工作平台及预埋舱段等组成。(6)螺旋出土机。螺旋出土机由螺旋机的活塞筒、螺旋机叶、杆、储土舱、出泥门、螺旋机旋转的驱动装置及螺旋机活塞筒上下运动的驱动装置等组成。(7)地下(挖掘操作)监视系统。地下监视系统由前端和监视端组成。(8)供排气系统。供排气系统主要用于气压沉箱下沉时的所需的平衡气压，同时也供给人员出入塔的过渡舱。(9)三维地貌显示系统。三维地貌显示系统主要功能：将激光扫描传感送来的数据处理后，显示三维地貌；控制报警；显示挖掘机位置；查看高差和地貌高度。3气压沉箱施工技术气压沉箱施工技术是利用供气装置通过箱体内预置的送气管路向沉箱底部的工作室内持续压入压缩空气，使箱内气压与箱外地下水压力相等，起到排开水体作用，从而使工作室内的土体在无水干燥状态下进行挖排土作业,箱体在本身自重以及上部荷载的作用下下沉到指定深度，最后将沉箱作业室填充混凝土进行封底的一种施工方法。.沉箱结构制作(1)刃脚制作在软弱土层上进行沉井、沉箱结构制作时,一般需采用填砂置换法改善下部地基承载力，随后沉箱结构在地面制作。在基坑挖深后，沉箱结构在基坑内制作。在完成刃脚、底板制作后，在结构外围可回填黏性土。(2)底板制作结构底板在下沉前制作完毕是气压沉箱施工的一个特色,以便结构在下沉前可形成由刃脚和底板组成的下部密闭空间。因此该部分结构要求密闭性好，不得产生大量漏气现象，同时需考虑对后续工序的影响。(3)底板以上井壁制作底板以上井壁制作时，内脚手可直接在底板上搭设，并随着井壁的接高而接高。井壁外脚手可采取直接在地面搭设方式。但由于沉箱需多次制作、多次下沉，为避免沉箱下沉对周边土体扰动较大，影响外脚手稳定性，外脚手须在每次下沉后重新搭设。该工艺的缺点是外脚手架需反复搭设，结构施工在沉箱下沉施工时无法进行。沉箱外脚手需采用外挑牛腿的方式解决外脚手架搭设问题，从而可使结构施工与沉箱下沉交叉进行，提高施工效率。2.沉箱下沉出土施工由于采用的是新型无人化遥控式气压沉箱工艺,因此正常状况下工作室内没有作业人员，沉箱出土依靠地面人员遥控操作工作室内设备进行。(1)正常出土流程当进行挖土作业时，悬挂在工作室顶板上的挖机根据指令取土放入皮带运输机的皮带上，当皮带机装满后，地面操作人员遥控皮带机将土倾入螺旋出土机的底部储土筒内。待螺旋出土机的底部储土筒装满土后，地面操作人员启动螺旋机油泵，开动千斤顶将螺旋机螺杆(外设套筒)逐渐旋转并压入封底钢管内，保持螺杆头部有适度压力，通过螺杆转动使土在螺杆与外套筒之间的空隙内上升。最后从设置在外套筒上方的出土口涌出，落入出土箱内，出土箱满后，由行车或吊车将出土箱提出，并运至井外。(2)备用出土措施考虑到采用螺旋机出土，螺旋机体积大，维修不方便，因此实际施工工程中还可将物料塔作为备用出土方式。(3)沉箱挖土下沉沉箱挖土下沉是一个多工种联合作业的过程，沉箱内挖土、出土由地面操作人员遥控完成。工作室内挖机挖土时按照分层取土的原则，按每层3040Cm左右在工作室内均匀取土。同时遵循由内向外，层层剥离的原则。开始取土时位置应集中在底板中心区域，逐步向外扩展，使工作室内均匀、对称地形成一个全刃脚支承的锅底，使沉箱安全下沉，并应注意锅底不应过深。3.沉箱下沉控制措施(1)沉箱下沉施工过程的气压控制气压沉箱施工时，由于底部气压的气垫作用，可使沉箱较平稳下沉，对周边土体的扰动较小。因此在沉箱下沉过程中，应首先保证工作室内气压的相对稳定。工作室内气压的设定应根据沉箱下沉深度以及施工区域的地下水位,土质情况等因素来进行设定，以保证气压可与地下水头压力相平衡。在沉箱夕设置水位观测井，根据地下水位情况，沉箱入土深度，承压水头大小，穿越土质情况等因素决定工作室气压的大小。(2)沉箱下沉施工的支撑及压沉系统沉箱下沉初期因结构自重较重，而刃脚入土深度浅，工作室内气压反托力及沉箱周边摩阻力均较小，导致沉箱初期下沉系数较大。在沉箱下沉后期，随着下沉深度的增加，沉箱所受下沉阻力相应逐渐增大，导致沉箱下沉困难。在国内的沉箱施工中，如沉箱需调整下沉姿态或助沉时，常规往往通过偏挖土，地面局部堆载，加配重物等方式进行，施工繁琐，施工精度和时效性均较差。在沉箱外部设置方便调节的外加荷载系统，可较方便的对沉箱进行支撑(初沉时)及压沉(后期下沉时)，可对沉箱下沉速度做到及时控制。(3)沉箱下沉施工其余助沉措施1)触变泥浆减阻当沉箱外围设置泥浆套后，可显著减小侧壁摩阻力。沉箱外围泥浆套的存在，可填充沉箱外壁与周边土体之间的可能空隙，阻止气体沿此通道外泄，尤其在沉箱入土深度不深的情况下，由于沉箱下沉姿态不断变化，外井壁与周边土体间可能不断出现地下水来不及补充的空隙，因此有必要采取泥浆套形式作为沉箱外壁的封闭挡气手段，如图2所示。图2:触变泥浆减阻示意图2）灌水压沉当沉箱下沉系数较小，下沉困难时，除采取上述措施压沉，还可采取底板上灌水压重的方式进行助沉。可通过在底板上接高内隔墙的方式在底板两侧形成若干混凝土隔舱，需要时可通过向舱内灌水进行压重。采用水作为压重材料的主要原因，是考虑一定高度的压重水对底板上的预留孔处可起到平衡上下压力差，减小预留孔处漏气的可能，如图3所示。图：3:灌水压沉示意图4 .沉箱封底措施沉箱下沉到位后，其工作室内部空间需填充，即须进行封底施工。以往国内的封底施工采取人工在工作室内进行封底作业,现今的气压沉箱考虑采取混凝土自动浇捣的工艺，不需人工进入工作室作业。沉箱封底施工借鉴水工工程中常用的水下封底施工形式。即在底板施工时按一定间距预埋与泵车导管口径相匹配的导管，在底板上端采用闸门封闭，上端并留有接头，便于以后的接高。进行封底施工时将泵车导管与预埋管上口相连，打开闸门，利用泵车压力将混凝土压入工作室内。由于混凝土自重大且从地面浇筑,可克服工作室内高压气体压力进入工作室内。当一处浇筑完毕后，将闸门关闭。然后将混凝土导管移至下一处进行浇筑。施工时要求封底混凝土具有足够的流动性，以保证混凝土在工作室内均匀摊铺。施工中应利用多辆泵车连续浇筑，并须保证混凝土浇筑的连续性。向工作室内浇筑混凝土时，由于工作室内气体空间逐渐缩小，可通过底板上排气装置适当放气，以维持工作室内气压稳定，如图4所示。图4:沉箱封底施工示意图5 .气压施工的生命保障措施由于气压沉箱施工过程中工作室内的设备、通信、供电系统可能需要调试维修，在沉箱下沉至底标高时工作室内主要设备还需进行拆除并运出井外。因此施工过程中仍需维修人员在必要时进入工作室气压环境内。由于本施工设备涉及人员高气压下作业，为保证作业人员的健康与安全，除人员进出高气压环境时按规定执行增减压程序外，还须在现场设置专门的医疗减压舱，以保证气压作业人员的身体恢复和应对紧急事件。4质量控制1 .沉箱制作在沉箱结构制作期间，需对结构制作偏差等内容进行控制，以便控制沉箱制作质量。沉箱制作时的质量控制见表1所示。沉箱制作质量控制表1序检查项目允许偏差或允许值检查数量号范围点数( mm )±0.5%L11100（L为设计沉箱长度）每边2宽度（mm）士05%B且50（B为设计沉箱长度）每边13平高度（mm）±30每边1面尺圆形沉箱4点寸4直径（圆形沉箱）（mm）±0.5%D且100（D为设计沉箱直径）25对角线（mm）±0.5%线K三Loo26箱壁厚度（mm）±15每边3圆形沉箱4点7箱隔墙垂直度（mm）1%H（H为设计沉箱高度）每边3壁圆形沉箱4点8预埋件中心线位置（mm）±20每件19±20每边1预留孔（洞）位移（mm）每孔1（洞）2 .腌下沉在沉箱下沉期间，需对沉箱的下沉姿态进行控制，以便掌握沉箱下沉深度及偏差情况，便于及时调整各施工参数，确保沉箱最终下沉施工精度，对沉箱下沉质量进行控制。一般沉箱下沉时，在初期阶段由于插入土体深度浅，是容易出现下沉偏差的阶段，但是也容易进行调整。因此在沉箱下沉初期应根据监测情况控制好沉箱姿态，以便形成良好下沉轨道。在沉箱下沉中期，沉箱下沉轨道已形成，应以保证施工效率为主。在沉箱下沉后期，应逐渐控制下沉速度，而根据监测情况以调整沉箱下沉姿态为主。使沉箱下沉至设计标高时能够满足施工精度要求。当沉箱下沉至设计标高，准备封底施工时，一般应进行8h连续观察，如下沉量小于Iomm,即可进行封底混凝土浇筑施工。沉箱下沉结束后,其质量控制指标应符合表2所示：沉箱下沉结束后质量控制标准表2序号检查项目允许偏差或允许值检杳数量范围点数1刃脚平均标高（mm）±50每个42刃脚中心线位移H10m（H为下沉总深度）<0.5%H每边1(mm)H<10m50每边13四角中任何!两角高差IlOm<0.5%L,且150每角2KlOm50每角23 .封底沉箱封底的质量控制标准如表3所示沉箱封底的质量控制标准表3检杳项目允许偏差或允许值备注单位数值封底前，沉井（箱）的下沉稳定mm8h<10刃脚平均标高（与设计标高比）mm<100刃肢平面中心线位移<1%HH为下沉总深度，H<10m时控制在100mm之内四角中任何两角的底面后差<1%LL为两角的距离，且不超过300mm,L<10m时控制在100mm内封底混凝土坍落度cm18224 .腌监测在沉箱施工的过程中，有必要对沉箱的结构内力、基坑周围土体和基坑周边的环境进行全面和系统的监测。一方面，通过监测对沉箱的变形及内力进行实时监控，从而确保结构本身的安全并保证周边的环境的变形在可控范围内；另一方面，监测的结果可以验证设计时所采取的假设和参数的正确性，评价相关的施工技术措施的效果，指导沉箱的施工。在沉箱结构制作及下沉过程中，需对沉箱各施工阶段进行监测。主要内容包括：由于沉箱工艺是采取先在地面进行结构制作，随后进行下沉的施工工艺。在结构制作期间，需对结构制作偏差，制作阶段结构的地面沉降情况等内容进行监测。在沉箱下沉期间，需对沉箱的下沉姿态进行控制。施工监测数据应具备概括性强，能及时反映施工进展情况的特点。结合相关施工经验，在沉箱下沉阶段监测内容主要包括沉箱姿态情况、沉箱下沉深度、工作室内气压大小等数据。