专利名称：沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种沉管隧道的施工工艺，特别是一种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，属于建筑工程领域。
背景技术：
管段的浮运沉放对接施工的精度直接关系到整个沉管隧道的工程质量，被视为沉管隧道的一个关键技术，日本在20世纪90年代早期建造了大量的大型矩形钢筋混凝土沉管隧道，其中1994年通车的多摩川隧道具有代表性。经文献检索发现，由作者谷雅史等，发表在刊物“トンネルと地下”1994，7，P29-37(隧道与地下，1994.7月刊P29-37)，文章名为“沈埋トンネルの新しひ最终继手”(タミナルズロツク方式)[沉埋隧道的非新式最终接头(接线板方式)]，该文称多摩川隧道采用沉管隧道技术修建，沉管段长1549.5m，由12节管段组成，横截面为39.9m×10m，沉放设备采用非自航的箱形双壳船，管段间的连接方式为水力压接，管段的浮运沉放对接全过程的测量监控采用陆上光波测距仪自动跟踪设于管段尾部的测量塔，作业船及时电传测量结果，用计算机算出管段所在的位置，经CRT确认到位后，实施沉放作业，而管段正确对接的测量系统则采用超声探测装置(水下三维系统)与陆上导引系统配合，其管段沉放作业精度在法线方向的误差最大为4cm。但多摩川隧道还存在着不足或有待改进之处，其管段浮运沉放和对接采用了两套不同的测量检测方法，不同系统间的系统误差叠加使施工作业误差加大；应用了水下三维超声波系统，不但增加了成本，而且增加了潜水员水下作业的内容和时间，此外由于超声波系统信号传输采用有线连接的方式，存在线缆被破坏通讯中断无法进行测量检测，从而导致整个沉放对接施工延误的风险。其施工的成本和投入较大，该技术的广泛应用受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，使其不但实现管段浮运沉放对接全过程的实时控制，在相对较低的成本下实现了较高的施工精度，而且无水下有线通讯的风险。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明工艺具体如下(1)尾端临时支承用大直径钢管桩的方法；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法；(3)计算机三维实时测量监控法；(4)数据传输采用无线通信和电缆通讯方式，数据采集可实现自动、同步操作，实现沉放精确定位。以下对本发明进一步详细描述(1)尾端临时支承用大直径钢管桩的方法具体如下根据管段下沉时的负浮力，拉合时垂直千斤顶在临时支承上的滑动距离，及施工误差确定钢管桩的直径和长度，钢管桩由打桩船送桩到设计位置，桩的平面偏差、桩顶标高、桩身垂直度，达到设计要求的施工精度，同时完全避免了水下作业；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法具体如下根据管段下沉时的负浮力确定浮箱的能力，然后进行浮箱加工并配备相应的绞车，施工时先将浮箱舾装在管段顶，浮箱和管段通过管段顶的吊点连接成一整体，然后管段起浮，拖运到沉放地点，管段内加水，在浮箱上的绞车控制下匀速下沉。
(3)计算机三维实时监控法具体如下根据三点确定物体空间位置的原则，同时为消除测量误差再增加一参考点，在管段顶设置四个测量标志点，标志点上装有测量棱镜，通过岸上的测量仪器进行读数。
(4)数据传输采用无线通信和电缆通讯方式，数据采集可实现自动、同步操作的方法具体如下①实时数据采集通过若干测量仪器，连续测量沉管上四个标志点，每一个时间段为一组数据采集周期可根据不同施工阶段的要求自行设定周期，通过仪器上的数据接口及相应接口软件直接输入计算机或通过调制解调器或上网传输至远端计算机中存储，处理；②数据通讯数据处理计算机通过无线电或串口线发布测量仪器观测命令，测量数据再通过无线电或串口线传回数据处理计算机，处理后的结果通过无线电传送到指挥和参观处计算机进行显示，提供工程指挥发出控制命令，参观处同时显示三维图形；③数据分析处理通过对观测数据的整理，分类，过滤等整理，然后利用相应测量数据处理程序进行数据计算，平差，最终获得管段在江中的平面、高程、倾斜度等三维数据；④显示根据模型计算，确定管段相对于设计位置的参数(包括平移、旋转、倾斜、下沉等)，提供修正参数，提供关键部分的数据，如钢面距、轴线平面偏离、轴线高程偏离、鼻托偏离等；⑤三维动态图形显示建立管段三维模型，根据计算数据及时显示沉管三维姿态及局部细节状态(接头)，能够以动态模式连续实时反应管段的沉放状态，可以进行多视点，多角度切换。
本发明具有实质性特点和显著进步，采用大直径钢管桩取代混凝土块作为管段尾部临时支承点减少了水下作业时间，采用浮箱吊沉法增加了管段下沉过程中的稳定性，通过计算机三维实时测量监控系统，精确地反映了管段在水中的实际位置变化，达到了很高的施工精度，同时本发明实现了较小的施工风险和成本投入(浮箱和测量监控系统具有可反复利用的特点)，良好的实际效果(缩短了施工进度，提高了施工精度)。
具体实施例方式
以某隧道为例，该工程采用沉管法施工，由4节管段组成，一节长95m，其余三节长100m，管段横断面尺寸为22.8m×8.45m，为双孔矩形钢筋混凝土结构。管段预制在江南岸的干坞内进行，干坞坞口宽26.8m，中心线与隧道轴线重合，设置双排钢板桩围堰。四节管段在干坞内一次制作完成后，往干坞内灌水，接着拔除坞口双排钢板桩，四节管段逐一起浮、浮运就位进行江中沉放对接。在制作管段的同时进行江北岸边连接井，江中管段基槽，基槽底管段临时支承的施工。
管段沉放时前端搁在连接井或前端管段尾端的导向鼻托上，尾端通过垂直千斤顶搁在临时支承上，拉合时垂直千斤顶还需在临时支承上进行滑动，因此对临时支承的制作和安装有着很高的要求。通常临时支承采用垫块形式，垫块的表面安装高强钢板，垫块在陆上预制完成后用浮吊在潜水员的配合下进行安装，在安装前还需潜水员进行水下作业进行整平。由于水下作业的条件很苛刻，潜水员每天只能在平潮时工作4小时左右，作业时局部需进行封航防止船行波对潜水员的危害，而且由于强度和安装时较大误差存在，设计的垫块为底面积6m×6m，高约2m的棱台，重约200t。实际施工时，隧道沉放处江面狭窄，航运繁忙，且江底基槽中回淤严重，能见度差，对水下作业限制很大，笨重的垫块运输和吊放设备欠缺，需另行解决临时支承的问题。考虑到钢材的质轻高强，打桩船送桩精度高等特点，确定采用大直径的钢管桩作为临时支承。经设计复合大直径钢管桩的直径为φ1200，在预制工厂内制作完成后由驳船运送到施工现场，由打桩船将其送到水下设计位置，其精度达到桩的平面偏差控制在±10cm，桩顶标高在0-5cm，桩身垂直度在1/500-1/700之间，完全符合设计要求，同时完全避免了水下作业，加快了施工进度。
管段制作完成后是一封闭的箱体，可浮于水面。在管段的顶部安装有测量塔，人孔，系缆柱，吊点等浮运沉放对接设施，内部设置压载水箱。管段浮运沉放对接前，先往干坞内灌水，坞内水位上升时，通过管段两端封门上的进排水口往管段内水箱抽水，压载水使管段抗浮系数为1.01左右，确保管段全没时不浮起。当坞内外水位一致时，拔除坞口双排板桩，进行舾装。舾装的主要内容为管段起浮沉放拉合设备。考虑到管段沉放时稳定性要求，沉放设备选用浮箱，浮箱的能力根据管段下沉时所需的负浮力确定，一般为管段浮力的2％，设计有2只钢浮箱，每只的起吊能力为200t，并配备绞车和滑轮组。坞门打开后，浮箱由小艇拉进干坞，浮到管顶设计位置，然后两侧的吊钩与管顶的吊点相连接，收紧吊缆使浮箱与管段成为一整体，然后排空管段水箱内的压载水，在浮力的作用下管段驮着浮箱起浮。起浮后的管段通过系缆柱上的缆绳在两岸和江中驳船上的卷扬机牵引下拖运到沉放位置，转入沉放拉合状态。沉放时先往管段水箱内加水，使管段重量大于浮力，此时管段全部浸入水中，钢浮箱受力，然后操作钢浮箱上的绞车放缆使管段匀速下沉。接近基槽底管段最终设计位置时，先将待沉管段的前端鼻托搁在已沉管段后端鼻托上，然后伸出后端的垂直千斤顶撑在临时支承钢管桩上，然后调整管段姿态达到设计要求。接着进行管段的拉合，拉合采用水力压接原理，待沉管段前端管顶系缆柱上缆绳与岸上固定滑轮组相连，通过拉岸滑轮组缆绳，使待沉管段向已沉管段靠拢，待沉管段前端的GINA橡胶止水带与已沉管段后端钢端壳面接触并且止水带尖头压缩，使两管段封墙间水与外界水隔开，然后用泵将这部水强制抽到待沉管段的水箱内，此时沉管段前后两端形成水压差，在后端巨大水压力的作用下GINA橡胶止水进一步压缩变形，形成水力压接，完成管段间的对接。
由于管段浮运沉放对接全过程在水中进行，无法通过常规方式进行测量监测，施工时开发了全新的测量监控方法。在管顶一端测量塔上设置2个测量标志，在另一测量塔和人孔上分别设置另2个测量标志，通过岸上的全站仪器观测测量标志，然后由计算机将读数转换为管段特征参数，用间接手段监测管段实时位置。施工时在岸的一侧设立主测站，架设2台全站仪和一台数据处理计算机，计算机和全站仪通过窜口连接，并连接3台无线调制解调器A1、B1、C1；在岸的另一侧设立副测站和指挥处，架设一台全站仪和一台显示计算机，全站仪和无线调制解调器A2相连接，与对岸数据处理计算机A1进行信号数据传送，显示计算机和调制解调器B2相连接，接收数据处理计算机B1发出的数据然后通过软件将管段的实际姿态显示在计算机屏幕上，便于指挥者根据实际情况发出命令。在参观室设置一台多屏显示计算机与无线调制解调器C2连接，接收C1发出的数据进行显示，并可进行三维展示，给一般的参观者直观的感受。具体施工时主测站的计算机通过窜口连线和A1向全站仪发出测量信号，然后接收测量数据(这一过程的周期可根据实际情况进行设定，一般为5秒)，通过测量程序计算将测量数据换算为管段特征点数据，然后将这些数据通过B1发往B2，C1发往C2，分别在指挥处和参观处的计算机屏幕上显示出管段实际的姿态。由于全站仪测量的高精度，以及计算机处理数据的高速度，使指挥者能借助测量手段直观地把握水下管段的正确姿态发出操作指令，使管段完成高精度的对接。四节管段沉放作业后在平面轴线方向的最大误差为3.5cm。
权利要求
1.一种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，其特征在于具体如下(1)尾端临时支承用大直径钢管桩的方法；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法；(3)计算机三维实时测量监控法；(4)数据传输采用无线通信和电缆通讯方式，数据采集可实现自动、同步操作，实现沉放精确定位。
2.根据权利要求1所述的这种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，其特征是尾端临时支承用大直径钢管桩的方法具体如下根据管段下沉时的负浮力，拉合时垂直千斤顶在临时支承上的滑动距离，及施工误差确定钢管桩的直径和长度，钢管桩由打桩船送桩到设计位置。
3.根据权利要求1所述的这种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，其特征是管段沉放采用浮箱吊沉法具体如下根据管段下沉时的负浮力确定浮箱的能力，然后进行浮箱加工并配备相应的绞车，施工时先将浮箱舾装在管段顶，浮箱和管段通过管段顶的吊点连接成一整体，然后管段起浮，拖运到沉放地点，管段内加水，在浮箱上的绞车控制下匀速下沉。
4.根据权利要求1所述的这种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，其特征是计算机三维实时监控法具体如下根据三点确定物体空间位置的原则，同时为消除测量误差再增加一参考点，在管段顶设置四个测量标志点，标志点上装有测量棱镜，通过岸上的测量仪器进行读数。
5.根据权利要求1所述的这种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺，其特征是数据传输采用无线通信和电缆通讯方式，数据采集可实现自动、同步操作的方法具体如下①实时数据采集通过若干测量仪器，连续测量沉管上四个标志点，每一个时间段为一组数据采集周期可根据不同施工阶段的要求自行设定周期，通过仪器上的数据接口及相应接口软件直接输入计算机或通过调制解调器或上网传输至远端计算机中存储，处理；②数据通讯数据处理计算机通过无线电或串口线发布测量仪器观测命令，测量数据再通过无线电或串口线传回数据处理计算机，处理后的结果通过无线电传送到指挥和参观处计算机进行显示，提供工程指挥发出控制命令，参观处同时显示三维图形；③数据分析处理通过对观测数据的整理，分类，过滤等整理，然后利用相应测量数据处理程序进行数据计算，平差，最终获得管段在江中的平面、高程、倾斜度等三维数据；④显示根据模型计算，确定管段相对于设计位置的参数，提供修正参数，提供关键部分的数据；⑤三维动态图形显示建立管段三维模型，根据计算数据及时显示沉管三维姿态及局部细节状态。
全文摘要
一种沉管隧道管段浮运沉放对接施工工艺属于建筑工程领域。本发明具体如下(1)尾端临时自承用大直径钢管桩支承的方法；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法；(3)计算机三维实时测量监控法；(4)数据传输采用无线通信方式，数据采集可实现自动、同步操作，实现沉放精确定位。本发明具有实质性特点和显著进步，减少了水下作业时间；增加了管段下沉过程中的稳定性，精确地反映了管段在水中的实际位置变化，达到了很高的施工精度，同时本发明实现了较小的施工风险和成本投入，具有良好的实际效果。
文档编号E02D29/063GK1399042SQ0213667
公开日2003年2月26日 申请日期2002年8月27日 优先权日2002年8月27日
发明者刘千伟, 王吉云, 乔宗昭, 王解先, 杜云龙 申请人:上海隧道工程股份有限公司