首页 拆除工程正文

桥梁气压沉箱基础

futao 拆除工程 2019-04-27 912 0
川渝拆除17713551981

桥梁气压沉箱基础

沉箱是将沉井底节做成一个有顶盖的施工作业工作室,在顶盖板上装设井管和气阀,工人在工作室内挖土,使沉箱在自重作用下下沉,沉至设计高程后,用混凝土填封工作室,并撤去气阀和井管,建成桥梁深水沉箱基础,也称气压沉箱基础。

沉箱基础最大的优点是工作室内的水系由高压压缩空气自刃脚处排挤出,因此,其下沉过程中能处理任何障碍物,并在施工中直接鉴定和处理基底,基础质量较为可靠。早期沉箱也有许多缺点,其中最主要的是施工中对施工人员身体的影响,且工效低。因为在水中每深入10m,工作室内就需要增加一个大气压力,才能排出水。而人体一般仅能够承受3.5个大气压力,也就是一般只能在深度不超过35m左右的水下进行工作。每天仅能工作2~4h左右,而出来更需要加长减压时间,及时排出人体血中的氮气,减压不当易得沉箱病。

早在1841年,法国修建卡隆桥时首次采用沉箱基础,以后在欧美广泛采用我国最早在1892年修建滦河桥,1909年修建泺口黄河桥及1937年修建的钱塘江大桥,仅这三座桥的水中墩基础就有31个采用的是沉箱基础。

但是,我国自1957年首创管柱桩基础建成武汉长江大桥后,气压沉箱基础就未在桥梁深水基础中采用。除有关地基基础的教科书中还有介绍外,在桥涵地基与基础设计、施工规范及手册中均未列其内容。在国外,尤其是日本等一些国家仍在采用,都改用机械化方法开挖、加强自动化控制和监测并尽量减少人工进入沉箱,这是现代科学技术发展的促进。下面借用日本近期成功运用的工程实例,将沉箱基础以特殊基础类型作一介绍,以借鉴和学习。

一、沉箱结构构造

钢筋混凝土沉箱可以做成实心,也可以做成空心(图8-4)。当采用浮运下沉时,沉箱顶盖及刃脚均可做成空体的钢筋混凝土结构

图8-4沉箱结构剖面图(尺寸单位:m)

图8-4沉箱结构剖面图(尺寸单位:m)

沉箱结构,可视其尺寸大小而分为单闸沉箱、三闸沉箱、多闸沉箱。

沉箱结构的主要构造为:顶盖、刃脚、工作室、箱顶圬工、升降井孔、气闸及箱顶管路等。

1.顶盖

顶盖即工作室的顶板,下沉时要承受高压空气向上的压力,后期要承受沉箱顶上圬工的荷载,在此它应具有足够的厚度,这也是沉箱结构设计计算中的重要部分。

2.刃脚

沉箱刃脚的作用除与沉井刃脚相似要切入地基土层外,不同之处就是它还是沉箱工作室的外墙。它不仅要防止水和土进入工作室内,还要防止工作室内高压空气外逸。由于刃脚受力很大,故应做得非常坚固,设计计算时也应特别考虑。

3.工作室

沉箱施工作业工作室是由其顶板和刃脚围成的无底工作空间,其四周和顶面间应密封不漏气。其平面尺寸的拟定与沉井相同,视基础尺寸而定,工作室内的净高应满足安全及设备所需要的高度。故人工除土时一般不低于2.2m,用水力机械除土时,则不低于2.5m。顶板与刃脚都必须具有设计的强度、刚度和密闭性。

4.箱顶坊工

沉箱顶上的圬工材料(简称圬工),也是沉箱基础结构的主要组成部分。在沉箱下沉施工过程中,应不断浇筑箱顶圬工,起到增加自重的作用,使沉箱不断下沉、直到设计高程。箱顶坛工可以浇筑成实体,也可沿沉箱周边浇筑成环状,视设计而定。

5.升降井孔

在沉箱顶盖和箱顶圬工中,必须留出垂直孔道,以便在其中安装连通工作室和气闸的井管,使人、器材及室内弃土能由此上下通过,并经气闸出入大气中。升降井孔的断面形状多为长圆形或矩形,其长轴应和沉箱短边平行,以尽量减少顶盖在短边方向由于被切断而造成的强度损失。升降孔的数量按工作室的面积,大致以每100m2左右有一个升降孔为宜,而孔的位置应位于相应面积的重心上。

6.气闸及箱顶管路

气闸位于井筒的顶端,类型较多,但构造原理相同。一般由一个人变气闸、两个运料气闸和一个中央气室所组成。构造中还附有电动机、调速器、绞车、吊头和运料小车等附件。气闸是沉箱施工作业的关键设备之一,它的作用是让人、器材和挖出土进出工作室,而又不引起工作室内气压变化。另一作用是当人出入工作室时,调节气压变化的速度,慢慢的加压或减压,使人体不致引起任何损伤。

箱顶管路,包括电缆线管、水管、送风管、排气管、检查管等,它们是沉箱工作室所需动力、电话、照明、所需水、空气等的输送通道。近代沉箱施工中,已经采用自动装置来解决过去难于解决的问题。

二、沉箱结构设计

气压沉箱的设计内容和方法,基本上与沉井相似。只是因沉箱比沉井多了一个充满高压气体的工作室,所以,其设计荷载中就增加了工作室内高压气体作用荷载一项。这样,其刃脚的设计计算和工作室顶盖的设计计算这两项就显得特别重要。下面仅就计入工作室内气压作用的刃脚和工作室顶盖的设计计算有关要点作以介绍,其计算如图8-5所示。

1.刃脚的设计计算

在刃脚的设计计算中,特别要考虑其以下最不利的受力情况:

(1)沉箱已下沉到设计高程,工作室内充满高压空气,刃脚切入土中0.5m深,刃脚向外弯曲,此时,与沉井设计计算不同的是:刃脚上除土的推力外,还有高压空气的推力;刃脚外壁上的摩阻力因空气溢出而减少,可以不计。

(2)沉箱已下沉到设计高程,工作室仍充满高压空气,但刃脚下之土已被挖空,此时刃脚向内弯曲。与沉井设计计算的不同之处是:室内有作业气压;刃脚外侧井壁上的摩阻力作用仍不计。


图8-5气压沉箱刃脚与工作室顶盖的计算图(尺寸单位:m)

图8-5气压沉箱刃脚与工作室顶盖的计算图(尺寸单位:m)

2.工作室顶盖板的设计计算

在工作室顶盖板的设计计算中,应按施工时与竣工时两种情况考虑。仅在施工阶段顶盖板始终受着工作室的气压作用,而在竣工时则无气压,但作用在地基的反力。并应考虑以下不利情况。

(1)沉箱已下沉到位,顶盖上面向下的作用力有井孔内力下沉所需加上的水重和顶板自重,顶板下面向上的作用力为作业气压的1/3。即顶板的设计荷载如图8-5a)所示,即:

W=水荷载+顶板自重-号作业气压

(2)沉箱下沉到位,工作室已填满混凝土,且孔内已贯入压重水时。此时,顶板底面的向上作用力P,为地基反力与水浮力之和;而顶板上面向下的荷载P2为井孔内水重与顶板自重之和。于是顶板的设计荷载如图8-5b)所示,即:

W=P1÷-P2(8-1)

式中:l1、——见图8-5。

板内最大弯矩为:

M=否W·点M,=节W·品(8-2)板内剪力为:

S.=i2W·la S,=i2W,·l(8-3)式中:l2、La——分别为换算矩形板的长与宽,如图8-5b)所示。

三、沉箱的制造与下沉

在岛上制造和下沉气压沉箱的方法基本上与沉井相同,只是沉箱制造完后,有安装井筒和装拆气闸等工作,然后进行下沉气压沉箱的施工工作。

沉箱下沉主要工序是不断挖土、接高与下沉。一般国外是这样规定:当沉箱下沉水深小于30m时,可采用人工操作的机械施工作业,但必须遵守气压箱安全施工的所有规定;当水深大于30m,国外已采用无人自动化施工技术,如自动水力机械冲吸排土的无人沉箱、自动浚汲设备排土的无人沉箱,及适于软硬黏土挖掘的自动挖掘排土的无人沉箱。

对采用浮运法下沉沉箱时,首先应验算沉箱的稳定性,如图8-6所示,在外力矩M作用下,沉箱的倾斜度tang可按下式计算。

图8-6沉箱的稳定检算

图8-6沉箱的稳定检算

(1)当沉箱工作室全被水充满时[图8-6a)]:

tanα=v(当a≤10°~15°时)(8-4)

(2)当沉箱工作室有一部分空间被压缩空气占据时[图8-6b)]:

M tanai=y((8-5)

1-a1式中:M——外力对O点或浮心“2”点的力矩(kN·m);y——水的重度(kN/m3);v——被沉箱所排开水的体积(m2);a、a——浮体重心“1”至浮心“2”之间的距离(m);p、p——沉箱的定倾中心,p=I/V、p1=(l-1)/V;

——吃水面对通过O点水平轴的惯矩(m);

I1——工作室内水面对其倾斜轴的惯矩(m4)。

很显然,只是在p-a>0或p1-a1>0的条件下,沉箱才是处于稳定状态。由于p1<p及a1>a,说明工作室内打入压缩空气后,其稳定性是降低了。

(3)沉箱落于基床上后,先向沉箱顶灌注体积不少于下式的圬工:

式中:P——相当于工作室体积的水重(t);y——圬工的单位体积重量(t/m2)。

圬工的重量最好使空气压入工作室后,刃脚处维持0.1MPa的压力,要能保持沉箱平稳下沉。

(4)当沉箱刃脚沉入基底土层中深度大于t后,才可大量灌注箱顶圬工,使其达到或高出水面,在砂质土中,t值可按式(8-7)计算,但不应大于2.5m。

t=2.4式中:H—沉箱下沉处的水深(m);B——沉箱的宽度(m)。

沉箱刃脚沉入基底土层深度大于t后,其以后的施工作业与旱地岛上沉箱施工作业完全相同,不作介绍。

现将日本名港中央大桥、东大桥沉箱基础工程简介其特点,供学习参考。

日本名港中央大桥是连接名古屋港内航线上的一座大桥,其桥长为1170m,跨度为290m+590m+290m的钢斜拉桥。名港东大桥是连接9号地与名古屋东岸的桥梁,亦为钢斜拉桥,桥长700m,跨度为145m+410m+145m。这两座桥的水中塔墩基础均采用沉箱基础,下面对其作以简介。

在对名港中央大桥和名港东大桥的桥塔墩基础形式选择时,为确保通航净宽,尽可能减少施工用场地,最后确定以气压沉箱、钢管桩、地连墙等三种类型作比选。现以名港中央大桥为例,列出其方案的类比情况,最后结论是:地连墙需要大型筑岛,对保证通航不利,同时其造价、工期等方面也不优越;钢管柱基础尺寸较大,施工作业所需空间也大,禁航区域太大;气压沉箱基础尺寸小,质量可靠,采用无人挖掘下沉施工,造价低,施工方便等优点,最后梁桥均选用气压沉箱基础。

气压沉箱是一平面尺寸为30m×34m、高18m的钢壳箱体,均在岸上制造,然后从海上浮运到施工现场

因气压沉箱要依靠挖掘下沉至海面以下约50m深处,为使操作时气压降低,采用了沉井降低地下水位的方法。

采用沉箱无人自动化施工方法,是在沉箱内施工,为无人挖掘自动化配套系统(图8-7),掘土下沉与箱体混凝土浇筑同时进行。

在沉箱无人挖掘下沉施工中,还采用了先进的自动信息管理系统。沉箱无人自动化施工就是通过这个自动信息管理系统,由现场岸上设置的集中控制室对沉箱下沉作自动控制和检测。

从以上情况介绍可知,虽然我国桥梁建设深水基础技术总水平已进入世界先进水平,但在施工机械、施工控制、施工管理的自控系统化的设备还有一定差距。我国江河纵横,海域面积大,海岸线长约1.8万km,将来桥梁的建设是跨越海峡,连接海湾、开发岛屿,水深近百米,甚至超过百米的桥梁深水基础终会在21世纪实现。

图8-7无人挖掘系统

图8-7无人挖掘系统

推荐阅读:

事故应急救援的相关法律法规要求

工程拆除房屋拆除建筑结构

建筑工程拆除施工安全技术基本规定

房屋拆除工程规范—般规定

拆除工程的经济核算