"現(xiàn)代氣壓沉箱"施工技術與配套設備通過驗收
由上海市建工集團基礎工程公司牽頭，聯(lián)合上海交通大學開發(fā)實施的2004年度市科委重大攻關科研課題“現(xiàn)代氣壓沉箱設計施工技術與設備研究”于2007年11月10日結題并通過專家組驗收，宣告了人工挖土成為歷史，工人們再也不擔心會患職業(yè)病，而只要舒適地坐在地面上的空調機房里，操縱地下的機器手臂，就能高效地完成艱巨的開挖任務。
隨著城市開發(fā)建設的不斷深入，城市土地資源越來越稀缺，城市地下空間的開發(fā)正成為未來城市發(fā)展的趨勢，上海面臨著土地緊張、交通擁塞等影響城市可持續(xù)發(fā)展的問題。實踐證明，通過城市地下空間的合理開發(fā)利用，走內涵式的城市發(fā)展之路，是解決城市可持續(xù)發(fā)展問題的合理途徑。上海市科學技術委員會2004年度成立了“城市地下空間開發(fā)應用核心技術和關鍵問題研究”重大科技攻關項目，旨在為加強地下空間開發(fā)利用統(tǒng)一規(guī)劃與管理，實現(xiàn)地下空間開發(fā)利用模式的轉換，為建立和完善地下空間開發(fā)利用運機制提供充分的理論依據(jù)與完備的技術保障。
現(xiàn)代氣壓沉箱工法是地下空間進一步開發(fā)的一項關鍵性新技術，在城市中心建筑物密集區(qū)開挖建設大深度地下空間，往往面臨施工場地狹小、周圍重要設施眾多的情況；同時，地下施工在開挖時往往會引起地下水位的降低，周圍地基的移動與下沉，嚴重時可能會引起周圍地基的塌陷，給鄰近地區(qū)帶來比較嚴重的影響；另外，市區(qū)地鐵、地下高速道路、共同溝以及豎井風井系統(tǒng)工程的施工往往受到各方面的限制。相比之下，氣壓沉箱工法在許多情況下能適應以上這些方面的需求，因而在工程中具有不可替代的競爭力及廣泛的應用前景。
作為科委“城市地下空間開發(fā)應用核心技術和關鍵問題研究”重大科技攻關項目的組成部分，本課題研究團隊采用產(chǎn)、學、研相結合的模式，由上海市基礎工程公司牽頭、攜手上海交通大學，基于實際工程背景，充分利用各種技術資源、優(yōu)化配置、優(yōu)勢互補、集成創(chuàng)新。
上海市基礎工程公司以施工工藝創(chuàng)新為主線，著手自主開發(fā)研制現(xiàn)代氣壓沉箱關鍵設備－無人化遙控式沉箱挖掘機、無排氣螺旋出土機等，結合工藝創(chuàng)新進行了適應現(xiàn)代氣壓沉箱的設計研究與施工技術研究，以及檢修環(huán)境下的生命保障系統(tǒng)研究，形成了自主知識產(chǎn)權的設備系統(tǒng)、工法規(guī)程成果。上海交大以理論研究的優(yōu)勢對工程進行了的原創(chuàng)性的施工理論研究，得出了很多對工程有指導意義的數(shù)值依據(jù)，交大機器人研究所還為本工程開發(fā)了獨創(chuàng)性的沉箱三維地貌控制與多參數(shù)信號監(jiān)控系統(tǒng)，用于沉箱氣壓自動調節(jié)、空氣成分分析、防撞報警系統(tǒng)等，使我國的現(xiàn)代氣壓沉箱技術發(fā)展在起步時就站上了高起點。
在申通集團的大力支持下，課題組以上海市軌道交通7號線（M7線）工程浦江站～耀華站區(qū)間中央風井工程為研究背景，對現(xiàn)代氣壓沉箱的理論分析、設計方法和施工工藝、設備的研究制造進行了全方位、系統(tǒng)性和集成性的研究。該風井平面外形尺寸25.24m×15.6m，下沉深度29m多。目前，這一我國首例以現(xiàn)代氣壓沉箱工法實施的工程已獲得成功，各項工程質量控制指標相當理想，實現(xiàn)了工程施工對周圍環(huán)境影響微小的預期目標。
在該項工程的實施過程中，操作人員只需在黃浦江邊的地面操作間里，遙控位于地下13米處的機器手臂挖掘風井，就能完成開挖任務。顯示屏上出現(xiàn)的挖掘區(qū)，實際上是一個高壓箱，從高壓箱露出地面的刻度上可以看到，隨著挖掘的進行，箱體以每分鐘兩厘米的速度不斷下探。現(xiàn)在采用的氣壓沉箱法則是把一個底部開口的混凝土氣壓箱壓入土里，然后往箱底輸入空氣加壓，底層土受到壓力后，土里的地下水就不會滲出，機器臂則在這樣的高壓環(huán)境中把土挖出。
工程人員高興地告訴記者，該工藝不但突破以往氣壓沉箱以人工挖土為主，作業(yè)空間小、氣壓高、溫度高、噪音大、危險性大、工作效率低、容易患“沉箱病”等瓶頸，而且與傳統(tǒng)工藝相比，能有效避免坑底隆起和流沙管涌現(xiàn)象，從而實現(xiàn)有效控制周邊環(huán)境的沉降、位移，有效保證了地面建筑的安全，在城市建設應用的前景廣闊。
背景：技術創(chuàng)新點
現(xiàn)代氣壓沉箱工法是地下空間進一步開發(fā)的一項關鍵性新技術，對相關理論研究、設計與施工均提出了諸多挑戰(zhàn)性問題，給現(xiàn)代氣壓沉箱研究提出了新的課題。
在理論與設計方面：不僅要考慮施工動態(tài)全過全中結構的內力、變形和穩(wěn)定性，沉箱下沉過程中對周邊環(huán)境的影響，尚需考慮氣壓下土體變化及沉箱下沉的影響。
在施工方面：我國過去的氣壓式沉箱施工以人工為主，工人要在2～4個大氣壓下的地下作業(yè)室內進行挖掘工作，條件比較艱苦，又比較危險。工作效率低下，沉箱下部工作空間小、氣壓高、溫度大、噪音大，因此在這種空間內工作，有壓迫感、緊張感，由于減壓順序的控制不當容易患較嚴重的職業(yè)病(稱為沉箱病)。國際上，尤其是日本，為增強這種工法在深基礎領域內的競爭能力，結合其先進的科學技術對該工法進行革新和改良，采用了無人化、自動化和信息化施工，因此研究現(xiàn)代氣壓沉箱施工工藝和無人化、自動化的施工設備進行開發(fā)和研制。
該項目的創(chuàng)新點：本課題利用試點工程，對理論分析、設計、施工和施工設備進行了全方位、系統(tǒng)的研究。目前課題所依托背景工程已成功實施，課題研究取得了眾多創(chuàng)新性成果，形成了現(xiàn)代氣壓沉箱理論分析、設計方法、成套設備和施工技術。
1 通過理論研究并結合實測結果，給出了氣壓沉箱刃腳的極限承載力的計算公式，通過室內試驗給出了氣壓沉箱下沉摩阻力的參考值，為今后氣壓沉箱的設計與施工提供了科學依據(jù)。
2 在氣壓沉箱設計過程中，對大型商用程序進行了二次開發(fā)，并成功應用于復雜工況下沉箱結構的設計，結合實測結果反饋進行設計修正，為現(xiàn)代氣壓沉箱的設計及今后相應規(guī)范的制訂提供了科學依據(jù)。
3自主開發(fā)、研究并制造了現(xiàn)代氣壓沉箱成套設備，填補了國內該領域的空白，其中無排氣螺旋出土機系統(tǒng)為國際首創(chuàng)。
4 形成了一整套現(xiàn)代氣壓沉箱的施工工藝，其中的氣壓自動調節(jié)、下沉糾偏控制、支承和壓沉自主糾偏一體化系統(tǒng)、在氣壓下混凝土自密實沉箱封底技術均為國內首創(chuàng)。編制了完整的施工操作規(guī)程。
5 研制了維修人員在高氣壓環(huán)境作業(yè)下的生命保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實用性在試點工程中得到驗證，有效地保障了高氣壓作業(yè)人員健康安全。
6 研制了三維地貌顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時清晰地反映沉箱內挖掘機械位置和土體表面的實際情況，為沉箱順利下沉提供精確的控制數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)未見文獻報導。
7 在總結理論、設計、施工和管理等方面的研究成果的基礎上，編制了現(xiàn)代氣壓沉箱的技術規(guī)程，為推廣現(xiàn)代氣壓沉箱技術奠定了堅實的基礎。
8 將自主研發(fā)成果進行集成，并成功應用于國內首例實際工程中，結果表明，現(xiàn)代氣壓沉箱工法對周邊環(huán)境影響小、社會經(jīng)濟效益顯著，對城市密集建筑群區(qū)的地下空間開發(fā)有著不可替代的優(yōu)越性。
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