岛遂结合部钢沉箱围护结构

摘要

一种岛遂结合部钢沉箱围护结构，采用钢箱体结构，箱体两端设有止水门，箱体中间空腔部分是待建隧道的坞室。组成箱体底板及两边侧墙的是钢桁架及钢板焊接成的中空结构，并设多个仓格，其内填充水下混凝土。止水门上部设有钢箱梁。箱体的顶部是兼做施工平台的双向顶撑。在箱体底板上设有贯穿底板的竖直的基础灌注桩预留套管，预留套管向上延伸和箱体顶部的双向顶撑连接在一起。止水效果好：减小了施工难度，提高了施工效率，工期减少，给后续隧道沉管尽早安装创造了条件。不会对水上隧道沉管对接点的施工造成干扰。

说明书

技术领域：

本发明属于水底隧道岛遂结合部等工程结构建筑物的水上施工的止水围护 结构，即岛遂结合部钢沉箱围护结构。

背景技术：

本发明技术之前，水底隧道岛遂结合部施工主要采用两种止水围护结构： ①格型钢板桩围堰止水围护结构。②抛石围堰加围堰内地下连续墙止水围护结 构。

格型钢板桩围堰止水围护结构的缺点：(1)格型钢板桩内回填砂及碎石，止 水效果不确定，基坑开挖后需要不断降水才能施工。(2)此工艺国内应用较少， 钢板桩采购周期长，整体振沉体系开发周期长，施工期设备维修困难，影响工 程进度。(3)整体振沉的振动锤采购费用高，使用次数有限，造成格型钢板桩施 工成本过高。

抛石围堰加围堰内地下连续墙止水围护结构的缺点：(1)抛石围堰需要水下 开挖基础，挖泥及抛泥过程对水体污染大。(2)抛石围堰需要开采大量石材，对 环境影响大。(3)围堰内回填砂和基坑开挖周期长，影响工程进度。(4)地下连续 墙外侧还需要加设一排超长旋喷桩，止水效果不确定。(5)整体来讲抛石围堰加 围堰内地下连续墙止水围护结构工期长、费用高、环境污染大、质量不易保证。

发明内容：

本发明创造的目的是提供一种岛遂结合部钢沉箱围护结构，比现有技术能 节省工期、操作简单、环保、保证安全和质量的新技术。

实现的本技术的特点优点和效果：

本发明的具体内容

一种岛遂结合部钢沉箱围护结构，其特征在于：是钢箱体结构，箱体两端 设有止水门，箱体中间空腔部分是待建隧道的坞室。组成箱体底板及两边侧墙 的是钢桁架及钢板焊接成的中空结构，并设多个仓格，其内填充水下混凝土。 止水门上部设有钢箱梁。箱体的顶部是兼做施工平台的双向顶撑。在箱体底板 上设有贯穿底板的竖直的基础灌注桩预留套管，预留套管向上延伸和箱体顶部 的双向顶撑连接在一起。

在箱体的底面上有底板分舱板，在箱体的两侧有侧墙分舱板。

所述岛遂结合部钢沉箱围护结构的施工方法，其特征在于：

①钢沉箱的各种零部件钢结构分别进行加工制造，然后运往船厂的船坞内 进行组装；

②组装顺序为：先底板后侧墙，先内部骨架后箱体钢板，然后组装灌注套 筒、钢箱梁、钢闸门以及其他零部件；

③组装完成后需进行水密性试验。

本发明的优点和效果：

止水效果好：钢沉箱密封效果好，施工过程中不用排水，保证了施工安全 及工程质量。

工期有较大优势：采用钢沉箱围护结构，整体加工、整体安装，变更了施 工顺序，减小了施工难度，提高了施工效率，工期减少，给后续隧道沉管尽早 安装创造了条件。

不会对水上隧道沉管对接点的施工造成干扰：因为钢沉箱方案不需要外侧 的袋装砂围堰，且钢沉箱围护结构的钢闸门的厚度只有不到1m，远远小于格型 钢板桩围堰的厚度，所以岛遂结合部隧道施工的同时，水上隧道沉管对接点区 域内的基础可以正常施工，不需要等待，岛遂结合部完后只需要拆除钢闸门就 可与海上沉管实现对接。此方案大大减小了工期压力，使整个隧道的施工工期 提前。

附图说明：

图1钢沉箱纵剖面图(B-B)。

图2钢沉箱横平剖面图(A-A)。

图3钢沉箱平面图。

图4钢沉箱结构纵断面图。

图5钢沉箱结构横断面图。

图6钢沉箱分舱平面图。

图7灌注桩施工预留套管及顶部双向顶撑图。

图8港珠澳大桥岛遂结合部暗埋段隧道围护结构建议方案平面图。

图9港珠澳大桥岛遂结合部暗埋段隧道围护结构建议方案横剖面图。

图10港珠澳大桥岛遂结合部暗埋段隧道围护结构建议方案纵剖面图。

具体实施方法：

1主要结构：

钢沉箱主要由底板、左右侧墙、前后钢封门组成。隧道水陆结合部暗埋段 的施工就在钢沉箱内完成。钢沉箱主要结构见图1、2、3、4、5、6、7，图中： 1钢箱梁、2止水门、3集水坑、4箱体(填充水下混凝土)、5待建暗埋段隧 道、6底板桁架(纵向)、7底板桁架(横向)、8侧墙桁架、9纵肋及板面、 10侧墙分舱板、11底板分舱板、12基础灌注桩施工预留套管、13双向顶撑 兼做施工平台。

2制作方法

钢沉箱的制造和组装方法如下：①钢沉箱的各种零部件委托钢结构加工专 业厂家进行制造，然后运往船厂的船坞内进行组装。②组装顺序为：先底板后 侧墙，先内部骨架后箱体钢板和外部肋骨，然后组装灌注套筒、钢箱梁、钢闸 门以及其他零部件。③组装完成后需进行水密性试验。

3钢沉箱运输

钢沉箱加工完成，坞内放水使其漂浮，用拖轮拖运至施工现场。

4钢沉箱基础整平

需要对钢沉箱基础进行整平，整平料采用碎石，整平范围为钢沉箱每侧加 宽0.5m，整平厚度为0.5m。

5钢沉箱安装、定位

钢沉箱安装选择在风浪、水流较小的平潮期进行。在钢沉箱上共设置8个 进水截门，截门在箱顶控制。用一艘定位方驳现场驻位，钢沉箱在其侧舷靠泊。 考虑现场水流速度较大、箱体挡水面积也比较大，设置4口锚协助定位。定位 方驳和一艘抽水方驳配合作业，通过截门压水和潜水泵抽水控制沉箱下沉。钢 沉箱安装位置采用GPS定位系统监控，确保安装位置准确。

钢沉箱安装完成后，为防止钢沉箱压载前在波浪和水流作用下发生滑移， 需及时打设定位钢桩。钢桩为φ1.5m、壁厚10mm钢管桩，打设深度为16m。

6钢沉箱水下混凝土浇筑

为防止钢沉箱在沉箱内抽水后漂浮，在钢沉箱侧墙和底板内灌注水下混凝 土进行配重，确保基坑干施工作业安全。

7隧道基础灌注桩施工

暗埋段隧道涵管基础灌注桩利用钢沉箱底板混凝土浇筑钢管及灌注桩钢套 筒作支撑搭设施工平台。为防止灌注桩钻孔过程中塌孔需在直径1.8m钢套筒内 打设钢护筒，钢护筒内径1.5m，壁厚6mm，入土深度4m。操作平台上设置旋挖 钻机成孔，必要时采用冲击钻嵌岩、旋挖钻机清孔；方驳吊机吊放钢筋笼，导 管法通过漏斗下灰。混凝土拌合船提供混凝土，泵送至浇筑点。

8基坑抽水、钢套筒处理(含止水)

钢沉箱内部混凝土和灌注桩施工完成后，对钢套筒和灌注桩之间缝隙采取 充气胶囊的止水措施，然后进行坞内抽水。抽水用潜水泵进行，与沉箱内压水 工艺相同。

坞内抽水后，拆除操作平台，并且切除钢套筒、下灰管等临时结构，使沉 箱内形成干施工条件和相应的作业面。钢沉箱外侧抛填中粗砂或块石，保证钢 沉箱整体稳定。

设计实例：

1在港珠澳大桥岛遂结合部(隧道和人工岛结合部位)，建议方案将163m暗 埋段隧道的施工围护结构设计为三个钢沉箱。钢沉箱主要尺度见表1。

暗埋段(163m)钢沉箱主要尺度一览表 表1

钢沉箱两端采用钢闸门封闭，用D型橡胶止水。钢闸门顶端用钢箱梁支撑， 钢箱梁截面为6m×3m和4.5m×3m。

钢沉箱内留有隧道基础灌注桩施工用的钢套筒，直径1.8m，顶端高于侧墙 1.0m。实现钢沉箱与隧道基础桩分离，以保证灌注桩承受的荷载不变。

底板同时留有直径400mm混凝土浇筑孔和200mm出水管，浇筑孔顶端高于侧 墙0.5m，这些钢管遍布整个钢沉箱底板，兼做灌注桩施工作业平台支撑。 钢沉箱底板和侧墙内部灌注C25水下混凝土，总方量44800m³。 沉箱底板和侧墙各分8个仓格，共16个混凝土浇筑单元。

2钢沉箱主要设计参数

潮位选择：选用十年一遇的高潮位+2.74m(黄海高程)。

钢沉箱钢材选用Q235型钢及钢板，许用应力[σ]＝170Mpa。

钢箱体在拖运、下沉过程中侧墙和底板最大荷载为1t/m²。

钢沉箱底板及侧墙浇注C25砼。

为保证灌注桩不承担钢沉箱的自重，特别设置了钢套管和钢护筒，这两管之间 用环形充气胶囊止水。

钢沉箱浮游稳定计算见表2。

钢沉箱在安装过程中的浮游稳定性计算表 表2

钢沉箱混凝土浇注后的抗浮系数见表3。

钢沉箱混凝土浇注完后+3.0潮位时的抗浮系数一览表 表3

建议方案见图8、9、10，图中：14^#1段钢沉箱墙体、15^#2段钢沉箱墙体、 16^#3段钢沉箱墙体、17^#1段钢沉箱、18^#2段钢沉箱、19^#3段钢沉箱、20暗 埋段隧道外轮廓线、21沉管隧道外轮廓线、22灌注桩、23砂桩。

3建议方案的主要优势

3.1止水效果好

3.1.1原方案：原设计方案的格型钢板桩内回填砂及碎石，止水效果不确定， 基坑开挖后需要不断降水才能施工。

作为止水帷幕及防止地连墙施工过程中孔壁坍塌的双排旋喷桩长度在45m 左右，施工超长旋喷桩往往容易出现开叉现象，造成止水失败。

3.1.2建议方案：钢沉箱密封效果好，施工过程中不用排水，给主体施工创 造了良好的工作环境。

3.2工期有较大优势

3.2.1原方案：格型钢板桩需从国外进口，钢板桩采购周期长，影响到工程 进度。

格型钢板桩沉桩工艺因为考虑到西岛小岛的工期问题，需要整体振沉工艺， 难点在吊架、振动梁、夹具、联动系统的研发和设计，目前国内的相关厂家和 技术不具备单独开发的能力，日本等有成熟经验的国家对相关技术进行技术封 锁，故整体振沉体系的设计需与日本等共同开发，造成整体振沉体系开发周期 长，施工期设备维修困难，影响工程进度。

3.2.2建议方案：采用钢沉箱围护结构、全套筒跟进的灌注桩+旋喷桩围护 结构，变更了施工顺序，减小了施工难度，提高了施工效率，工期减少，给后 续沉管尽早安装创造了条件。

因为钢沉箱方案使163m暗埋段的施工提前，能在24个月的时候提供163m 暗埋段，这样就可以利用暗埋段后99m上的天窗作为临时通道吊入大型车辆及 设备，并作为材料及配件、其它施工设施的临时进出口，为沉管内的对接施工 提供支持。原方案要36个月后才能提供此节点，比原计划27个月海上沉管对 接晚了9个月，在这9个月因为岛上无法提供大型进出口，使海上沉管对接困 难重重。

另外因为原方案要36个月后163m暗埋段才能全部完成，所以利用开工后 的第24-36月这段时间，使用暗埋段天窗作为临时进出口不会对通风塔等岛上 建筑的施工造成影响。

整个岛上隧道施工完成为38个月，比原方案44个月提前6个月，可以早 半年时间提供隧道永久进出口，为海上沉管隧道的施工提供便利条件，保证沉 管隧道施工顺利进行。原方案和建议方案主要节点工期对比见表4。

原方案和建议方案主要节点工期对比表 表4

3.3不会对海上沉管对接点的施工造成干扰

3.3.1原方案：在64m止推段隧道施工完后，需要拆除东端头的袋装砂围堰 及东端头的格型钢板桩围堰，然后对其所占范围(长度60～70m)进行基础灌注 桩施工后才能进行第一节沉管的海上安装及与止推段的对接工作。这个工作需 要4～5个月的时间才能完成，给西岛小岛的施工带来了很大的工期压力，如果 小岛的施工工期稍有滞后就会影响海上沉管对接节点。

3.3.2建议方案：因为钢沉箱方案不需要外侧的袋装砂围堰，钢闸门的厚度 只有不到1m(格型钢板桩围堰的厚度为25.62m)，所以止推段隧道施工的同时， 沉管对接点区域内的灌注桩可以正常施工，不需要等待，止推段完后只需要拆 除钢闸门就可与海上沉管实现对接。此方案大大减小了工期压力，有可能使整 个隧道的施工工期提前。

4钢沉箱加工、运输

6.4.1钢沉箱加工在船厂进行.

工程开工后第4个月开始^#1钢沉箱制作，计划工期70天。第7个月开始^#2、 ^#3钢沉箱制作，计划工期115天。计划施工强度为53.4t/天。

4.2钢沉箱加工完成，用拖轮拖运至水工现场，拖航采用2艘3000hp拖轮 傍拖，钢沉箱吃水0.9m。

4.3钢沉箱基础整平

回填砂振冲密实后对钢沉箱基础进行整平，整平料采用碎石，整平范围为 钢沉箱每侧加宽0.5m，整平厚度为0.5m。

施工工艺为整平船配合施工，潜水员水下进行整平作业。在GPS定位系统 监控下，水下安放整平顺道，并且支垫牢固。整平船装载碎石料，通过漏斗向 水下供应。潜水员在水沿着顺道拉动整平刮道进行整平。

整平采用1艘整平船施工，每天下4班潜水人员进行作业，整平面积为 9975m2。计划工期为150天，计划施工强度66.5m²/天。

4.5钢沉箱安装、定位

钢沉箱安装选择在风浪、水流较小的平潮期进行。在钢沉箱上共设置8个 进水截门，截门在箱顶控制。用一艘定位方驳现场住位，钢沉箱在其侧舷靠泊。 由于现场水流速度较大、箱体挡水面积也比较大，设置4口锚协助定位。定位 方驳和一艘抽水方驳配合作业，通过截门压水和潜水泵抽水控制沉箱下沉。钢 沉箱安装位置采用GPS定位系统监控，确保安装位置准确。

钢沉箱内压水采用8台潜水泵进行，^#1沉箱内压水总量88704m³，计划压 水时间10小时。底板抽水1m时抽水方量4088m³，需0.7小时。

4.6钢沉箱安装完成后，为防止钢沉箱压载前在波浪和水流作用下发生滑 移，需及时打设定位钢桩。钢桩为φ1.5m、壁厚10mm钢管桩，打设深度为16m。

4.7钢沉箱水下混凝土浇筑

为防止钢沉箱在沉箱内抽水后漂浮，在钢沉箱侧墙和底板内灌注水下混凝 土进行配重，确保基坑干施工作业安全。^#1钢沉箱水下混凝土方量44800m³，^#2 钢沉箱水下混凝土方量26300m³，^#3钢沉箱水下混凝土方量22550m³。钢沉箱 底板和侧墙共分成16个格舱进行混凝土浇筑施工，最大混凝土浇筑方量2995.5 方。采用4艘混凝土搅拌船进行混凝土施工。首先进行钢沉箱底板混凝土浇筑， 底板浇筑完成后再浇筑侧墙。浇筑顺序为对称进行，每个格舱为一个浇筑单元。 混凝土与钢壳体共同组成混合结构的坞室。

4.8隧道基础灌注桩施工

西人工岛隧道基础灌注桩直径1.5m，共489根，混凝土强度C45，灌注桩 嵌入中风化岩2m。其中暗埋段199根，混凝土方量21063m³，钢筋3370t。采 用SR420型旋挖钻机，最大钻深110m，可进行嵌岩施工，满足施工需要。

暗埋段隧道涵管基础灌注桩利用钢沉箱底板混凝土浇筑钢管及灌注桩钢套 筒作支撑搭设施工平台。为防止灌注桩钻孔过程中塌孔需在直径1.8m钢套筒内 打设钢护筒，钢护筒内径1.5m，壁厚6mm，护筒底标高-23.00m、入土深度4m。 操作平台上设置10台旋挖钻机成孔，必要时采用冲击钻嵌岩、旋挖钻机清孔； 方驳吊机吊放钢筋笼，导管法通过漏斗下灰。混凝土拌合船提供混凝土，泵送 至浇筑点。

暗埋段灌注桩199根，计划工期9月，计划施工强度22.2根/月，10台旋 挖钻机实际施工强度25根/月，满足施工要求。

4.9基坑抽水、钢套筒处理(含止水)

钢沉箱内部混凝土和灌注桩施工完成后，对钢套筒和灌注桩之间缝隙采取 充气胶囊的止水措施，然后进行坞内抽水。抽水用潜水泵进行，与沉箱内压水 工艺相同。

坞内抽水后，拆除操作平台，并且切除钢套筒、下灰管等临时结构，使沉 箱内形成干施工条件和相应的作业面。钢沉箱外侧底层抛填中粗砂至-8m，保证 钢沉箱整体稳定。