專利名稱：沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種沉管隧道的施工工藝，特別是一種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，屬于建筑工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管段的浮運沉放對接施工的精度直接關(guān)系到整個沉管隧道的工程質(zhì)量，被視為沉管隧道的一個關(guān)鍵技術(shù)，日本在20世紀(jì)90年代早期建造了大量的大型矩形鋼筋混凝土沉管隧道，其中1994年通車的多摩川隧道具有代表性。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，由作者谷雅史等，發(fā)表在刊物“トンネルと地下”1994，7，P29-37(隧道與地下，1994.7月刊P29-37)，文章名為“沈埋トンネルの新しひ最終繼手”(タミナルズロツク方式)[沉埋隧道的非新式最終接頭(接線板方式)]，該文稱多摩川隧道采用沉管隧道技術(shù)修建，沉管段長1549.5m，由12節(jié)管段組成，橫截面為39.9m×10m，沉放設(shè)備采用非自航的箱形雙殼船，管段間的連接方式為水力壓接，管段的浮運沉放對接全過程的測量監(jiān)控采用陸上光波測距儀自動跟蹤設(shè)于管段尾部的測量塔，作業(yè)船及時電傳測量結(jié)果，用計算機算出管段所在的位置，經(jīng)CRT確認(rèn)到位后，實施沉放作業(yè)，而管段正確對接的測量系統(tǒng)則采用超聲探測裝置(水下三維系統(tǒng))與陸上導(dǎo)引系統(tǒng)配合，其管段沉放作業(yè)精度在法線方向的誤差最大為4cm。但多摩川隧道還存在著不足或有待改進(jìn)之處，其管段浮運沉放和對接采用了兩套不同的測量檢測方法，不同系統(tǒng)間的系統(tǒng)誤差疊加使施工作業(yè)誤差加大；應(yīng)用了水下三維超聲波系統(tǒng)，不但增加了成本，而且增加了潛水員水下作業(yè)的內(nèi)容和時間，此外由于超聲波系統(tǒng)信號傳輸采用有線連接的方式，存在線纜被破壞通訊中斷無法進(jìn)行測量檢測，從而導(dǎo)致整個沉放對接施工延誤的風(fēng)險。其施工的成本和投入較大，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，使其不但實現(xiàn)管段浮運沉放對接全過程的實時控制，在相對較低的成本下實現(xiàn)了較高的施工精度，而且無水下有線通訊的風(fēng)險。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明工藝具體如下(1)尾端臨時支承用大直徑鋼管樁的方法；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法；(3)計算機三維實時測量監(jiān)控法；(4)數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信和電纜通訊方式，數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)自動、同步操作，實現(xiàn)沉放精確定位。以下對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述(1)尾端臨時支承用大直徑鋼管樁的方法具體如下根據(jù)管段下沉?xí)r的負(fù)浮力，拉合時垂直千斤頂在臨時支承上的滑動距離，及施工誤差確定鋼管樁的直徑和長度，鋼管樁由打樁船送樁到設(shè)計位置，樁的平面偏差、樁頂標(biāo)高、樁身垂直度，達(dá)到設(shè)計要求的施工精度，同時完全避免了水下作業(yè)；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法具體如下根據(jù)管段下沉?xí)r的負(fù)浮力確定浮箱的能力，然后進(jìn)行浮箱加工并配備相應(yīng)的絞車，施工時先將浮箱舾裝在管段頂，浮箱和管段通過管段頂?shù)牡觞c連接成一整體，然后管段起浮，拖運到沉放地點，管段內(nèi)加水，在浮箱上的絞車控制下勻速下沉。
(3)計算機三維實時監(jiān)控法具體如下根據(jù)三點確定物體空間位置的原則，同時為消除測量誤差再增加一參考點，在管段頂設(shè)置四個測量標(biāo)志點，標(biāo)志點上裝有測量棱鏡，通過岸上的測量儀器進(jìn)行讀數(shù)。
(4)數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信和電纜通訊方式，數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)自動、同步操作的方法具體如下①實時數(shù)據(jù)采集通過若干測量儀器，連續(xù)測量沉管上四個標(biāo)志點，每一個時間段為一組數(shù)據(jù)采集周期可根據(jù)不同施工階段的要求自行設(shè)定周期，通過儀器上的數(shù)據(jù)接口及相應(yīng)接口軟件直接輸入計算機或通過調(diào)制解調(diào)器或上網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)端計算機中存儲，處理；②數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)處理計算機通過無線電或串口線發(fā)布測量儀器觀測命令，測量數(shù)據(jù)再通過無線電或串口線傳回數(shù)據(jù)處理計算機，處理后的結(jié)果通過無線電傳送到指揮和參觀處計算機進(jìn)行顯示，提供工程指揮發(fā)出控制命令，參觀處同時顯示三維圖形；③數(shù)據(jù)分析處理通過對觀測數(shù)據(jù)的整理，分類，過濾等整理，然后利用相應(yīng)測量數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，平差，最終獲得管段在江中的平面、高程、傾斜度等三維數(shù)據(jù)；④顯示根據(jù)模型計算，確定管段相對于設(shè)計位置的參數(shù)(包括平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜、下沉等)，提供修正參數(shù)，提供關(guān)鍵部分的數(shù)據(jù)，如鋼面距、軸線平面偏離、軸線高程偏離、鼻托偏離等；⑤三維動態(tài)圖形顯示建立管段三維模型，根據(jù)計算數(shù)據(jù)及時顯示沉管三維姿態(tài)及局部細(xì)節(jié)狀態(tài)(接頭)，能夠以動態(tài)模式連續(xù)實時反應(yīng)管段的沉放狀態(tài)，可以進(jìn)行多視點，多角度切換。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，采用大直徑鋼管樁取代混凝土塊作為管段尾部臨時支承點減少了水下作業(yè)時間，采用浮箱吊沉法增加了管段下沉過程中的穩(wěn)定性，通過計算機三維實時測量監(jiān)控系統(tǒng)，精確地反映了管段在水中的實際位置變化，達(dá)到了很高的施工精度，同時本發(fā)明實現(xiàn)了較小的施工風(fēng)險和成本投入(浮箱和測量監(jiān)控系統(tǒng)具有可反復(fù)利用的特點)，良好的實際效果(縮短了施工進(jìn)度，提高了施工精度)。
具體實施例方式
以某隧道為例，該工程采用沉管法施工，由4節(jié)管段組成，一節(jié)長95m，其余三節(jié)長100m，管段橫斷面尺寸為22.8m×8.45m，為雙孔矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。管段預(yù)制在江南岸的干塢內(nèi)進(jìn)行，干塢塢口寬26.8m，中心線與隧道軸線重合，設(shè)置雙排鋼板樁圍堰。四節(jié)管段在干塢內(nèi)一次制作完成后，往干塢內(nèi)灌水，接著拔除塢口雙排鋼板樁，四節(jié)管段逐一起浮、浮運就位進(jìn)行江中沉放對接。在制作管段的同時進(jìn)行江北岸邊連接井，江中管段基槽，基槽底管段臨時支承的施工。
管段沉放時前端擱在連接井或前端管段尾端的導(dǎo)向鼻托上，尾端通過垂直千斤頂擱在臨時支承上，拉合時垂直千斤頂還需在臨時支承上進(jìn)行滑動，因此對臨時支承的制作和安裝有著很高的要求。通常臨時支承采用墊塊形式，墊塊的表面安裝高強鋼板，墊塊在陸上預(yù)制完成后用浮吊在潛水員的配合下進(jìn)行安裝，在安裝前還需潛水員進(jìn)行水下作業(yè)進(jìn)行整平。由于水下作業(yè)的條件很苛刻，潛水員每天只能在平潮時工作4小時左右，作業(yè)時局部需進(jìn)行封航防止船行波對潛水員的危害，而且由于強度和安裝時較大誤差存在，設(shè)計的墊塊為底面積6m×6m，高約2m的棱臺，重約200t。實際施工時，隧道沉放處江面狹窄，航運繁忙，且江底基槽中回淤嚴(yán)重，能見度差，對水下作業(yè)限制很大，笨重的墊塊運輸和吊放設(shè)備欠缺，需另行解決臨時支承的問題?？紤]到鋼材的質(zhì)輕高強，打樁船送樁精度高等特點，確定采用大直徑的鋼管樁作為臨時支承。經(jīng)設(shè)計復(fù)合大直徑鋼管樁的直徑為φ1200，在預(yù)制工廠內(nèi)制作完成后由駁船運送到施工現(xiàn)場，由打樁船將其送到水下設(shè)計位置，其精度達(dá)到樁的平面偏差控制在±10cm，樁頂標(biāo)高在0-5cm，樁身垂直度在1/500-1/700之間，完全符合設(shè)計要求，同時完全避免了水下作業(yè)，加快了施工進(jìn)度。
管段制作完成后是一封閉的箱體，可浮于水面。在管段的頂部安裝有測量塔，人孔，系纜柱，吊點等浮運沉放對接設(shè)施，內(nèi)部設(shè)置壓載水箱。管段浮運沉放對接前，先往干塢內(nèi)灌水，塢內(nèi)水位上升時，通過管段兩端封門上的進(jìn)排水口往管段內(nèi)水箱抽水，壓載水使管段抗浮系數(shù)為1.01左右，確保管段全沒時不浮起。當(dāng)塢內(nèi)外水位一致時，拔除塢口雙排板樁，進(jìn)行舾裝。舾裝的主要內(nèi)容為管段起浮沉放拉合設(shè)備?？紤]到管段沉放時穩(wěn)定性要求，沉放設(shè)備選用浮箱，浮箱的能力根據(jù)管段下沉?xí)r所需的負(fù)浮力確定，一般為管段浮力的2％，設(shè)計有2只鋼浮箱，每只的起吊能力為200t，并配備絞車和滑輪組。塢門打開后，浮箱由小艇拉進(jìn)干塢，浮到管頂設(shè)計位置，然后兩側(cè)的吊鉤與管頂?shù)牡觞c相連接，收緊吊纜使浮箱與管段成為一整體，然后排空管段水箱內(nèi)的壓載水，在浮力的作用下管段馱著浮箱起浮。起浮后的管段通過系纜柱上的纜繩在兩岸和江中駁船上的卷揚機牽引下拖運到沉放位置，轉(zhuǎn)入沉放拉合狀態(tài)。沉放時先往管段水箱內(nèi)加水，使管段重量大于浮力，此時管段全部浸入水中，鋼浮箱受力，然后操作鋼浮箱上的絞車放纜使管段勻速下沉。接近基槽底管段最終設(shè)計位置時，先將待沉管段的前端鼻托擱在已沉管段后端鼻托上，然后伸出后端的垂直千斤頂撐在臨時支承鋼管樁上，然后調(diào)整管段姿態(tài)達(dá)到設(shè)計要求。接著進(jìn)行管段的拉合，拉合采用水力壓接原理，待沉管段前端管頂系纜柱上纜繩與岸上固定滑輪組相連，通過拉岸滑輪組纜繩，使待沉管段向已沉管段靠攏，待沉管段前端的GINA橡膠止水帶與已沉管段后端鋼端殼面接觸并且止水帶尖頭壓縮，使兩管段封墻間水與外界水隔開，然后用泵將這部水強制抽到待沉管段的水箱內(nèi)，此時沉管段前后兩端形成水壓差，在后端巨大水壓力的作用下GINA橡膠止水進(jìn)一步壓縮變形，形成水力壓接，完成管段間的對接。
由于管段浮運沉放對接全過程在水中進(jìn)行，無法通過常規(guī)方式進(jìn)行測量監(jiān)測，施工時開發(fā)了全新的測量監(jiān)控方法。在管頂一端測量塔上設(shè)置2個測量標(biāo)志，在另一測量塔和人孔上分別設(shè)置另2個測量標(biāo)志，通過岸上的全站儀器觀測測量標(biāo)志，然后由計算機將讀數(shù)轉(zhuǎn)換為管段特征參數(shù)，用間接手段監(jiān)測管段實時位置。施工時在岸的一側(cè)設(shè)立主測站，架設(shè)2臺全站儀和一臺數(shù)據(jù)處理計算機，計算機和全站儀通過竄口連接，并連接3臺無線調(diào)制解調(diào)器A1、B1、C1；在岸的另一側(cè)設(shè)立副測站和指揮處，架設(shè)一臺全站儀和一臺顯示計算機，全站儀和無線調(diào)制解調(diào)器A2相連接，與對岸數(shù)據(jù)處理計算機A1進(jìn)行信號數(shù)據(jù)傳送，顯示計算機和調(diào)制解調(diào)器B2相連接，接收數(shù)據(jù)處理計算機B1發(fā)出的數(shù)據(jù)然后通過軟件將管段的實際姿態(tài)顯示在計算機屏幕上，便于指揮者根據(jù)實際情況發(fā)出命令。在參觀室設(shè)置一臺多屏顯示計算機與無線調(diào)制解調(diào)器C2連接，接收C1發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并可進(jìn)行三維展示，給一般的參觀者直觀的感受。具體施工時主測站的計算機通過竄口連線和A1向全站儀發(fā)出測量信號，然后接收測量數(shù)據(jù)(這一過程的周期可根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)定，一般為5秒)，通過測量程序計算將測量數(shù)據(jù)換算為管段特征點數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過B1發(fā)往B2，C1發(fā)往C2，分別在指揮處和參觀處的計算機屏幕上顯示出管段實際的姿態(tài)。由于全站儀測量的高精度，以及計算機處理數(shù)據(jù)的高速度，使指揮者能借助測量手段直觀地把握水下管段的正確姿態(tài)發(fā)出操作指令，使管段完成高精度的對接。四節(jié)管段沉放作業(yè)后在平面軸線方向的最大誤差為3.5cm。
權(quán)利要求
1.一種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，其特征在于具體如下(1)尾端臨時支承用大直徑鋼管樁的方法；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法；(3)計算機三維實時測量監(jiān)控法；(4)數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信和電纜通訊方式，數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)自動、同步操作，實現(xiàn)沉放精確定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，其特征是尾端臨時支承用大直徑鋼管樁的方法具體如下根據(jù)管段下沉?xí)r的負(fù)浮力，拉合時垂直千斤頂在臨時支承上的滑動距離，及施工誤差確定鋼管樁的直徑和長度，鋼管樁由打樁船送樁到設(shè)計位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，其特征是管段沉放采用浮箱吊沉法具體如下根據(jù)管段下沉?xí)r的負(fù)浮力確定浮箱的能力，然后進(jìn)行浮箱加工并配備相應(yīng)的絞車，施工時先將浮箱舾裝在管段頂，浮箱和管段通過管段頂?shù)牡觞c連接成一整體，然后管段起浮，拖運到沉放地點，管段內(nèi)加水，在浮箱上的絞車控制下勻速下沉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，其特征是計算機三維實時監(jiān)控法具體如下根據(jù)三點確定物體空間位置的原則，同時為消除測量誤差再增加一參考點，在管段頂設(shè)置四個測量標(biāo)志點，標(biāo)志點上裝有測量棱鏡，通過岸上的測量儀器進(jìn)行讀數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝，其特征是數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信和電纜通訊方式，數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)自動、同步操作的方法具體如下①實時數(shù)據(jù)采集通過若干測量儀器，連續(xù)測量沉管上四個標(biāo)志點，每一個時間段為一組數(shù)據(jù)采集周期可根據(jù)不同施工階段的要求自行設(shè)定周期，通過儀器上的數(shù)據(jù)接口及相應(yīng)接口軟件直接輸入計算機或通過調(diào)制解調(diào)器或上網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)端計算機中存儲，處理；②數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)處理計算機通過無線電或串口線發(fā)布測量儀器觀測命令，測量數(shù)據(jù)再通過無線電或串口線傳回數(shù)據(jù)處理計算機，處理后的結(jié)果通過無線電傳送到指揮和參觀處計算機進(jìn)行顯示，提供工程指揮發(fā)出控制命令，參觀處同時顯示三維圖形；③數(shù)據(jù)分析處理通過對觀測數(shù)據(jù)的整理，分類，過濾等整理，然后利用相應(yīng)測量數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，平差，最終獲得管段在江中的平面、高程、傾斜度等三維數(shù)據(jù)；④顯示根據(jù)模型計算，確定管段相對于設(shè)計位置的參數(shù)，提供修正參數(shù)，提供關(guān)鍵部分的數(shù)據(jù)；⑤三維動態(tài)圖形顯示建立管段三維模型，根據(jù)計算數(shù)據(jù)及時顯示沉管三維姿態(tài)及局部細(xì)節(jié)狀態(tài)。
全文摘要
一種沉管隧道管段浮運沉放對接施工工藝屬于建筑工程領(lǐng)域。本發(fā)明具體如下(1)尾端臨時自承用大直徑鋼管樁支承的方法；(2)管段沉放采用浮箱吊沉法；(3)計算機三維實時測量監(jiān)控法；(4)數(shù)據(jù)傳輸采用無線通信方式，數(shù)據(jù)采集可實現(xiàn)自動、同步操作，實現(xiàn)沉放精確定位。本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，減少了水下作業(yè)時間；增加了管段下沉過程中的穩(wěn)定性，精確地反映了管段在水中的實際位置變化，達(dá)到了很高的施工精度，同時本發(fā)明實現(xiàn)了較小的施工風(fēng)險和成本投入，具有良好的實際效果。
文檔編號E02D29/063GK1399042SQ0213667
公開日2003年2月26日 申請日期2002年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者劉千偉, 王吉云, 喬宗昭, 王解先, 杜云龍 申請人:上海隧道工程股份有限公司