大国重器之土木工程施工

工程建造施工

 

山岭隧道施工

不同的隧道用不同的方法,比如山岭隧道、地铁隧道、海底隧道施工方法差异巨大。为了便于大众理解,分别以山岭隧道、海底隧道、地铁隧道施工中几种典型的施工方法为例说明。

1做洞口

隧道设计与施工技术图文全解,掌握好了,做的都是永恒的隧道

 

像上图所示,先根据设计好的位置,立好洞门拱架,然后浇筑混凝土。然后打入大管棚,就是上面那一排钢管,打入之后再高压往里面注入水泥浆,它的好处就是土跟钢管水泥浆粘结在一起,形成一个拱圈状的加固土体。这样挖的时候就不会容易垮了。

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2挖洞身,做第一层支护

隧道挖的时候了根据岩石的好坏选取不同的方法,具体来说,如果是坚硬完整的岩石,那隧道多大就可以挖多大。

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一般而言,岩石隧道挖了之后不会马上垮,而土质隧道由于预先注浆或者打了锚杆(也就是粗点的钢筋)也不会马上垮,这个时候,工人就会按照测量的指示,把一些预先做成隧道轮廓样子的钢拱架安放到指定位置,如下图:

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钢拱架放好之后,那些两根拱架之间的空隙要放钢筋网片,焊接好,侧向也要打入锚杆。之后,就要喷射混凝土了。如下图:

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混凝土喷射出来之后,就会粘在钢架上,这样钢架和隧道的岩石以及混凝就组成了一个整体,共同受力。这个时候,整个隧道如下图所示:

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隧道一般是分两层支护,第一层就像上图这样的,喷射混凝土上去之后它就具有了一定的稳定能力。

3做第二层支护

用钢筋混凝土,首先需要绑扎钢筋,并且在里面铺好防水板,山里面的隧道防水工作十分重要。

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钢筋做好之后,就是浇筑混凝土了。必须使用专门的工具才能将混凝土打到墙上去。

混凝土浇筑完成后,过了规定的养护时间就可以拆模了,最后就会形成一个封闭的稳定结构,基本已经很稳固了。

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隧道的主体结构就完成后,其余就是隧道的路面、防排水、通风、照明、供配电、安全等设施的施工。

 

海底隧道施工

1预制沉管

隧道很长,当然不能做一个整的出来,我们一般都是一节一节预制好,然后再对接,先在靠近海边的陆地上挖个大坑,在里面把节段预制好。如下图:

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预制好之后,由于它太重了,没有机械可以运,那就先把沉管两端堵住,把水放进来。如下图:

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2基槽开挖

由于海底表层都是淤泥,沉管沉之前必须先把基础做好,用专用设备把表层的淤泥清干净:

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实际操作的时候有专用的视频监控设备,清除淤泥之后,根据海底的基础情况可能要用打入挤密砂桩,抛石等等手段,使基础密实。如下图:

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3沉管运放、水下对接

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把沉管拖至指定地点,在往下沉,在下沉过程中根据各种高精度的监测设备实时监测,确保两节沉管精准对接。这是沉管隧道施工中难度非常大的一环,也是考验各种技术水平的关键步骤。对接好之后,接头处要做好防水措施,浇筑混凝土,之后再覆土回填,这就是沉管隧道的主要施工过程了。

 

城市地铁隧道

盾构法其实是TBM掘进机法的一种,只不过软岩地区习惯称之为盾构。盾构法在城市地铁隧道,跨江、跨河、跨海隧道都有广泛的应用。盾构机是一种非常昂贵的设备。

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1始发井施工、盾构下井

因为地铁隧道是埋在地下的,用盾构施工的时候,先需要从地面上挖个坑下去,把盾构机安装好,然后再掘进。由于坑挖的比较深,容易坍塌,所以周围需要采取很多措施进行加固支撑,如下图:

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坑挖到指定位置,盾构机就可以下去安装调试了。如下图:

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2盾构掘进,管片安装

盾构施工跟钻爆法不一样,它的衬砌是分成一块一块的,工厂化预制,预制好之后,运输去现场拼接即可。所以掘进之前,先得把管片做好:

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这些就是盾构管片,整个地铁隧道就靠他们组装在一起撑着了,盾构机掘进的时候,前面是刀盘切削土体,后面是千斤顶加压使它前进。切削出来的土通过机械运出洞外。

3接收井洞周加固,盾构进井

把接收井洞周加固好,等待盾构机进来,如下图:

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以上就是各种隧道建成的主要过程,需要指出的是,钻爆法不仅用于山岭隧道,在地铁隧道,海底隧道方面也有广泛的应用,盾构法也经常用于各种过江河海的隧道,这三种方法基本囊括了各种隧道的施工方法。

 

 

港珠澳大桥人工岛建造施工

港珠澳大桥的人工岛由120个500吨重的钢圆管打造而成,在钢圆管制造完毕后,工程师利用带波浪补偿器的钻机、勘察专用钻探平台等精细化勘探,使用8台振动锤穿越1600公里,将钢圆管吊起下沉,最终把东西人工岛的“项链”串起来,这在世界上是首创的。

出品| 网易新闻

作者| 中国交建

120个巨型钢圆桶扎进深海,港珠澳大桥人工岛这样建成

 

 

你以为这是一艘超豪华的海上巨轮?错,这是港珠澳大桥“颜值爆表”的人工岛!

人工岛是港珠澳大桥的控制性工程之一,大桥的海底沉管隧道便是由东西两个人工岛连接起来的,然后人工岛又与内陆通过桥梁连接。

从空中看,港珠澳大桥的人工岛框架宛如一串项链,而这串项链的每个“珠子”则是直径22米、高度最高50米、重500吨的钢圆筒,就体积而言,每个“珠子”得有10层楼那么高!西人工岛就是由61个珠子串起来的。

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(西人工岛轮廓逐渐显现)

这些听起来似乎很简单,其实用钢圆管的方式在深海形成人工岛可是一项全新的工艺。深海筑岛,非一日之功。把这个10层楼大小的庞然大物坚固地沉入海底,从工厂制造、长距离海上运输、研发专用振沉设备到海上振沉,历经了重重难关。

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(人工岛夜景)

(一)超常规构思,完胜日本企业推荐的传统钢板桩方案

在港珠澳大桥香港口岸人工岛工程中,日本一家企业曾推荐了传统的钢板桩方案,也希望能在隧道人工岛中采用这种工艺。这个方案是将一条条0.5米宽的钢板插入底,在人工岛建设之初也想过这个方案,但这样一来,22米宽就要打140多次、会产生100多个接口,其工艺流程就很复杂,止水也存在更多不确定因素。

而且,港珠澳大桥经过珠江口几个主航道和很多非正式航道,每天有4000艘船舶通过,施工过程不能对航运造成大的影响。还有,这里经过中华白海豚国家级自然保护区,工程更得考虑对生态的影响;且长期以来珠江口形成了稳定的三滩两槽水文环境,这是珠三角发展的根本基础之一,施工更不能破坏这种稳定。

所以,中国工程师提出了一个大胆的构想——用钢圆筒做人工岛防护结构。这个方案不仅可以大大减少船机及海上作业的时间,大圆筒还有良好的稳定性和止水性能,为后续工作提供了一个稳定的环境。

方案定了,但是加工制造出这些大块头、然后从生产基地运到现场、最后沉入海底,都需要新思路。

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(二)钻机、驳船…精细化勘探的利器

把钢圆筒打入海底,首先需要摸清海底地质情况。同样,筑岛、海底沉管的安装,首先要搞清楚地层结构,精确了解海底的详细情况,这就要经过精细的勘探。

翻开岛隧工程地质勘查图纸,密密麻麻的标注着170多个钻孔,400多个测试孔(CPTU孔)。每个孔都需要船舶驻位、钻探测试、取样分析等多个环节。中国工程师研制了5台国内首创的带波浪补偿器的钻机,其波浪补偿系统极大提高了海上钻探及取样的精确性和安全性,在恶劣海洋天气下仍然能够取得高标准的钻探数据。同时,他们研制了国内领先的勘察专用钻探平台,这一设备大大提高了勘探成果精度。

在钻探、取样、运输、分析的全过程中,不能改变土质的分层分布等原来面貌,只有这样,才能精确了解地质情况,专业术语叫“不扰动原土”。

经过不断精细化的勘探,2011年1月,岛隧工程首批设计图纸提交。

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(人工岛断面图)

(三)制造8台振动锤,吊起下沉钢圆管的“大锤”

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钢圆管直径22米,最高50.5米,一共120个。把它们打入深海,需要有足够能量的“大锤”。所以,工程师们“中西合璧”共同打造了8台振动锤,而且工期只有90天。

这个前所未有的庞然大物,决不是简单的振动锤组拼,而是多项中美高端制造业优势融合。整个振沉系统中,振动锤、同步装置、动力站、液压油管、液压夹头等从美国引进,共振梁、吊架等则由中国企业制造。

单台APE600液压振动锤已有工程应用,但采用8台APE600振动锤联动振沉超大型钢圆筒却是中国人的构想,属国际首创。

同时,在中国上海,共振梁也在加快制造。它是一个中心直径22米、截面宽2.4米、高1.2米、重达120吨的圆环形箱梁。顶面安装8个振动锤和同步轴,底面安装24个液压夹具。其技术要求是振动合力居中,能均匀、有效地传递到钢圆筒底部。因此要有足够的刚度和极高的制造精度。中国工程师确定了将共振梁分解成8个构件单体制造,单独加工后再进行整体拼装,吊架与共振梁配作的创新方案。

在收到美国发出的集装箱后,中国工程师仅用10天就完成了振沉系统的整体组装,比预计时间缩短了整整一个月。

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(西人工岛救援码头正在建设)

(四)120个500吨的钢圆管如何穿越1600公里?

这项工程更关键的主体便是钢圆管了。而且,你可别忘了这个钢圆管的尺寸和庞大的体积。

钢圆管制作原理很简单,把钢板处理成弧形,然后焊接成筒,就好像做木桶一样,再把一节节短筒焊接成长筒。不过,焊接很有难度:短筒越多,焊缝就越多,焊接量就越大,而且工期紧张。

中国工程师选择将单个40米的钢圆筒总体分成两段制造,每段采用竖向分块法制造,也就是将钢板单元竖起来放在胎架上,用垂直气电焊将板片拼成筒体。这样一来,竖起来的钢圆筒在横向只有一道焊缝,大大减少了质量风险和焊接量。

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而接下来,这120个庞然大物的运输也是一大难点。一开始,由“振浮8号”装载着首个钢圆筒和振沉动力系统也就是“大锤”,由两条拖轮护航起航,经过一个多星期抵达珠海。但是一个船运一个,这也太慢了。所以,第二船装载了9个钢圆筒,总重4059吨,走了68小时。

重量大也就算了,这其中还要避开台风,而且50米的钢圆管放在甲板上,完全遮挡住了航行视线,运输难度可想而知。8船钢圆管的运输可谓是经过了最炎热、台风最多的季节,历经“重重磨难”才最终抵达珠海。

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(五)沉下“定海神针”,振浮8号立了大功

伶仃洋海面上,1600吨起重船“振浮8号”吊着振沉系统和钢圆筒,在自主研发的“钢圆筒打设定位精度管理系统”的引导下,正确定位,完成入泥自沉后,随着“开始振沉”指令的发出,中控计算机同时启动8台动力柜和8台振动锤,世界最大的振沉系统第一次开始负载运转。

钢圆筒达到了入泥深度21米的设计标高,垂直度偏差控制在1/1000以上,这又是一项世界纪录。

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(岛内回填砂)

240米长、50米宽、8万吨、8米吃水的大船,是从来没有在施工中用过的。抛锚就是个难题。运输船抛锚线,施工工区根据现场潮流等因素确定四个浮筒位置,运输船必须进驻到浮筒之间,并且四个角分别用三条缆绳与四个浮筒连接以固定轮船位置。看似简单的活,但没个两三个小时是拿不下来的。

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“振浮8号”船长秦汉文表示,大船停泊的地方距离钢圆筒振沉地方最远达到900米,而不能自航的浮吊必须挂缆到运输钢圆筒的大船,通过卷缆向大船靠近,吊装起钢圆筒。然后再通过浮吊另一边的卷锚靠近振沉位置,将钢圆筒吊至指定振沉位置,仅这一段路程就需运行1小时40分钟。因此运行速度慢,吊装时间长,危险系数高。

而直径22米、高40多米的钢圆筒,每一个都有一个规定位置,最终振沉位置的误差仅允许在10厘米,虽然是圆形,却不能转动一点圈,转动一点圈都有可能导致位置完全不符合要求。

比如在第三船钢圆筒的驻位上,因潮水影响,大船无法顺利驶进四个浮筒内规定位置,只能调头重来。就在眼看着驻位要成功了的时候,要开始带缆系浮,天公却不作美,下起了瓢泼大雨。海面上一片迷雾,啥也看不见。

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(西人工岛最后一个钢圆筒振沉完毕)

终于,在2011年9月11日,港珠澳大桥岛隧工程西人工岛最后一个钢圆筒稳稳入泥,这串大“项链”最终串起来了。

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Taochun Yang
Author: Taochun Yang

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