CN107012890A - 沉管浇筑系统及浇筑方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种沉管浇筑系统及浇筑方法，用于在水中的坐底基础上浇筑壳式沉管。该沉管浇筑系统包括压载装置和浇筑装置，所述压载装置包括用于向所述管腔内注入压载水以使所述壳式沉管下沉至坐底基础的进水单元，以及用于向外排出压载水以使所述壳式沉管上浮的排水单元，所述进水单元和排水单元分别与所述管腔相连通；所述浇筑装置包括用于将混凝土注入所述浇筑舱格的浇筑溜管，所述浇筑溜管与所述浇筑舱格相连通。本发明提供的沉管浇筑系统及浇筑方法，通过将壳式沉管沉于水底进行浇筑，不仅适用于陆域受限地区的施工，并且提高了施工质量和安全性。

Description

沉管浇筑系统及浇筑方法

技术领域

本发明属于沉管隧道施工技术领域，尤其涉及一种沉管浇筑系统及浇筑方法。

背景技术

壳式沉管是由钢板制成沉管的外壳和内壳，且外壳和内壳之间形成有多个浇筑舱格的一种沉管结构。这种壳式沉管在沉放前，需要向浇筑舱格中浇筑混凝土以完成沉管预制工作，获得钢壳混凝土预制沉管。目前，钢壳混凝土沉管的浇筑方法主要有坐底干式浇筑法和浮式浇筑法两种。

坐底干式浇筑法是指在建造的干坞内向舱格中浇筑混凝土的浇筑方法，这种浇筑方法由于干坞完全托住壳式沉管的底部，在浇筑施工工程中，壳式沉管的底板不易变形，而且施工设备易于展开，施工较为便利。然而，坐底干式浇筑法由于需要建造干坞，所需的施工区域较大，施工成本高，且不适用于陆域受限的地区。

浮式浇筑法是指将壳式沉管浮于水上进行浇筑的方法，这种浇筑方法在水上进行浇筑，无需建造干坞，施工成本低，解决了陆域受限地区的施工问题。然而，这种浇筑方法由于壳式沉管完全漂浮于水上，施工易受潮汐影响，浇筑过程中的振动易导致沉管的底板变形，浇筑质量较差，而且存在沉管沉底的安全风险。

因此，如何在陆域受限地区进行壳式沉管浇筑施工，并提高施工质量和安全性，是当前急需解决的一项技术问题。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种沉管浇筑系统及浇筑方法，通过将沉管沉于水底同时将浇筑口设于水面之上进行浇筑的方式，不仅适用于陆域受限地区的施工，并且提高了施工质量和安全性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提出一种沉管浇筑系统，用于在水中的坐底基础上浇筑壳式沉管，所述壳式沉管包括外壳和内壳，所述外壳和内壳之间形成浇筑舱格,所述内壳以内形成管腔，其特征在于：所述沉管浇筑系统包括压载装置和浇筑装置；所述压载装置包括用于向所述管腔内注入压载水以使所述壳式沉管下沉至坐底基础的进水单元，以及用于向外排出压载水以使所述壳式沉管上浮的排水单元，所述进水单元和排水单元分别与所述管腔相连通；所述浇筑装置包括用于将混凝土注入所述浇筑舱格的浇筑溜管，所述浇筑溜管与所述浇筑舱格相连通。

作为优选，所述进水单元包括与所述管腔相连通的进水管，所述进水管连接有进水泵；所述排水单元包括与所述管腔相连通的排水管，所述排水管连接有排水泵。

作为优选，所述压载装置还包括设置于所述管腔内的压载水箱，所述进水单元和排水单元分别与所述压载水箱相连通。

作为优选，所述浇筑溜管一端伸入所述浇筑舱格，其另一端设有漏斗，且所述漏斗设置于所述浇筑溜管的浇筑口处。

作为优选，所述沉管浇筑系统还包括控制装置，所述控制装置包括用于测量所述壳式沉管对坐底基础压力的压力传感器，以及用于控制所述压载装置注入或排出压载水的控制器；所述压力传感器安装于所述壳式沉管的底部，所述控制器分别与所述压力传感器、进水单元和排水单元电连接，以接收所述压力传感器测量的实时压力信息并控制所述进水单元注入压载水或控制所述排水单元排出压载水。

本发明还提出一种利用上述任一项技术方案所述的沉管浇筑系统浇筑壳式沉管的浇筑方法，其特征在于，包括如下步骤：

在水底铺设用于壳式沉管浇筑的坐底基础，将所述壳式沉管运输至所述坐底基础上方；

通过所述沉管浇筑系统中的进水单元向所述壳式沉管的管腔内注入压载水，直至所述壳式沉管下沉至所述坐底基础上，所述壳式沉管下沉过程中所述沉管浇筑系统中的浇筑溜管伸出水面以上；

通过所述浇筑溜管将混凝土注入所述壳式沉管的浇筑舱格内，同时通过所述沉管浇筑系统中的排水单元排出与注入混凝土等量的所述管腔内的压载水，直至所述壳式沉管对所述坐底基础的压力在设计压力范围以内；

所述浇筑舱格内注满混凝土后，所述排水单元将所述管腔内的压载水全部排出，同时所述壳式沉管上浮，完成浇筑。

作为优选，所述坐底基础与所述壳式沉管的总高度小于施工区域水位，且所述总高度与施工区域水位之间的差值在0.5m以上。

作为优选，所述浇筑溜管伸出水面的高度在1m以上。

作为优选，所述设计压力范围为2000kN-8000kN。

作为优选，在注入混凝土时，通过所述压力传感器实时测量所述壳式沉管对所述坐底基础的压力，通过所述控制器接收该实时压力信息，经分析判断后控制所述压载装置注入或排出压载水以使所述壳式沉管对所述坐底基础的压力在设计压力范围内。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明提供的沉管浇筑系统通过进水单元、排水单元和浇筑溜管的配合，实现了壳式沉管的水中坐底浇筑，同时浇筑完成即可浮上水面，能够适用于陆域受限地区的施工，并且，在浇筑施工工程中坐底基础完全托住壳式沉管的底部，壳式沉管的底板不易变形，施工质量和安全性高；

2、本发明提供的沉管浇筑系统通过设置的控制装置能够精确控制压载装置及时注入或排出压载水，有效避免了坐底基础因受到过大压力而坍塌的现象，有利于保证壳式沉管在浇筑过程中的稳定，有利于保证施工安全；

3、本发明提供的浇筑方法能够在水中坐底浇筑壳式沉管，适用于陆域受限地区的施工，操作简单、施工效率高，而且相比于浮式浇筑法，由于坐底基础完全托住壳式沉管的底部，施工质量和安全性高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的沉管浇筑系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的带有压载水箱的沉管浇筑系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的浇筑方法中浇筑施工区域布置图；

图4为本发明实施例提供的浇筑方法的浇筑过程示意图；

以上各图中：1、外壳；2、内壳；3、浇筑舱格；4、管腔；5、压载装置；51、进水单元；511、进水管；512、进水泵；52、排水单元；521、排水管；522、排水泵；6、浇筑装置；61、浇筑溜管；62、漏斗；7、压力传感器；8、控制器；81、接收模块；82、判断分析模块；83、控制模块；9、过水孔；10、压载水箱；11、坐底基础；12、壳式沉管；13、浇筑码头；14、拼装区。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

如图1所示，本发明提出一种沉管浇筑系统，用于在水中的坐底基础上浇筑壳式沉管，尤其是用于对钢壳混凝土沉管的浇筑，所述壳式沉管包括外壳1和内壳2，外壳1和内壳2之间形成浇筑舱格3,内壳2以内形成管腔4。

如图1所示，本发明提供的沉管浇筑系统的一具体实施例中，所述沉管浇筑系统包括压载装置5和浇筑装置6，压载装置5包括用于向管腔4内注入压载水以使所述壳式沉管下沉至坐底基础的进水单元51，以及用于向外排出压载水以使所述壳式沉管上浮的排水单元52，进水单元51和排水单元52分别与管腔4相连通；浇筑装置6包括用于将混凝土注入浇筑舱格3的浇筑溜管61，浇筑溜管61与浇筑舱格3相连通。

所述压载装置5包括进水单元51和排水单元52，均用于控制壳式沉管在水中的下沉和上浮，进而使壳式沉管稳定在水底的坐底基础上，以便于在水中进行浇筑。在本实施例中，进水单元51用于向管腔4内注入压载水以使壳式沉管下沉，包括与管腔4相连通的进水管511，进水管511连接有进水泵512。排水单元52用于向外排出压载水以使壳式沉管上浮，包括与管腔4相连通的排水管521，排水管521连接有排水泵522。需要说明的是，如图1所示，壳式沉管的管腔4可以为多个，多个管腔4之间设有过水孔9以使多个管腔4相互连通。可以理解的是，当管腔4为多个时，与管腔4相连通的进水单元51和排水单元52也相应为多个。

如图2所示，在本发明的另一实施例中，压载装置5还包括设置于管腔4内的压载水箱10，进水单元51和排水单元52分别与压载水箱10相连通。这种通过设置压载水箱10储存压载水的方式，能够有效避免压载水对管腔4的冲击和腐蚀。需要说明的是，如图2所示，当管腔4为多个时，设置于管腔4内的压载水箱10相应为多个。

如图1所示，该系统的浇筑装置6包括浇筑溜管61，用于向壳式沉管的浇筑舱格3内注入混凝土。在本实施例中，浇筑溜管61一端伸入浇筑舱格3，其另一端设有漏斗62，且漏斗62设置于浇筑溜管61的浇筑口处。浇筑时，漏斗62始终位于水面以上，通过设置的漏斗62能够快速持续地将混凝土导入浇筑溜管61，进而通过浇筑溜管61将混凝土注入位于水下的壳式沉管的浇筑舱格3内，这种漏斗62和浇筑溜管61相配合的浇筑装置6结构简单，有利于保证浇筑顺畅，避免浇筑中断，浇筑效率较高。需要说明的是，浇筑溜管61的浇筑口与水面距离至少为1米，以避免水流经浇筑溜管61流入浇筑舱格3，影响浇筑质量。此外，浇筑溜管61竖直伸入浇筑舱格3，以便于混凝土在自身重力作用下竖直下落；同时，浇筑溜管61的长度可调节，以适用于不同水深的施工工况。

进一步的，如图1所示，该沉管浇筑系统还包括控制装置，所述控制装置包括用于测量壳式沉管对坐底基础压力的压力传感器7，以及用于控制压载装置5注入或排出压载水的控制器8。压力传感器7安装于壳式沉管的底部，控制器8分别与压力传感器7、进水单元51和排水单元52电连接，以接收压力传感器7测量的实时压力信息并控制进水单元51注入压载水或控制排水单元52排出压载水。需要说明的是，在本实施例中，控制器8进一步包括接收模块81、判断分析模块82和控制模块83；接收模块81与压力传感器7电连接，用以接收所述压力传感器7测量的实时压力信息；判断分析模块82与接收模块81耦合，用以判断分析当前测得的实时压力值与预设压力值之间的关系，并发送控制信号；控制模块83与判断分析模块82耦合，并与进水单元51和排水单元52分别电连接，用以根据所述控制信号对应控制进水单元51注入压载水或是排水单元52排出压载水。

本实施例所述控制装置的工作过程为：压力传感器7实时测量壳式沉管对坐底基础的压力，控制器8的接收模块81接收压力传感器7测量的实时压力信息，并发送给控制器8的判断分析模块82，判断分析模块82判断该实时压力与设计压力范围的上限和下限的大小，若该实时压力大于设计压力上限，判断分析模块82发送第一控制信号至控制模块83，控制模块83依据第一控制信号控制排水单元52向外排出压载水，直至实时压力小于设计压力上限时，控制排水单元52停止排水；若该实时压力小于设计压力下限，判断分析模块82发送第二控制信号至控制模块83，控制模块83依据第二控制信号控制进水单元51向管腔4内注入压载水，直至实时压力大于设计压力下限时，控制进水单元51停止注水。本实施例通过设置的控制装置能够精确控制压载装置5及时注入或排出压载水，使壳式沉管对坐底基础的压力保持在一定的设计压力范围内，有效避免了坐底基础因受到过大压力而坍塌的现象，有利于保证壳式沉管在浇筑过程中的稳定。

为了使本发明所述的沉管浇筑系统更加清楚，下面对本发明所述的沉管浇筑系统的工作过程说明如下：

浇筑前，通过进水单元51中的进水泵512将压载水经进水管511注入壳式沉管的管腔4内，使壳式沉管沉至水底的坐底基础上；进而，通过浇筑溜管61将混凝土注入壳式沉管的浇筑舱格3内，在浇筑过程中，通过排水单元52中的排水泵522将管腔4内的压载水经排水管521逐渐排出，以防止壳式沉管对坐底基础产生过大压力，使壳式沉管在浇筑过程中保持稳定；浇筑完成后，通过排水泵522将管腔4内残留的压载水经排水管521全部排出，使壳式沉管上浮以备后续浮运。在浇筑过程中，可通过所述控制装置精确控制压载装置5，即进水单元51和排水单元52，及时注入或排出压载水。

本发明提供的沉管浇筑系统通过进水单元51、排水单元52和浇筑溜管61的配合，实现了壳式沉管的水中坐底浇筑，同时保证沉管在水底浇筑过程中处于稳定状态，能够适用于陆域受限地区的施工，并且，在浇筑施工工程中坐底基础完全托住壳式沉管的底部，壳式沉管的底板不易变形，施工质量和安全性高。根据本发明的某些实施例，通过设置的控制装置能够精确控制压载装置5及时注入或排出压载水，有效避免了坐底基础因受到过大压力而坍塌的现象，有利于保证壳式沉管在浇筑过程中的稳定，有利于保证施工安全。

本发明还提出一种利用上述任一项实施例所述的沉管浇筑系统浇筑壳式沉管的浇筑方法，包括如下步骤：

S1：在水底铺设用于壳式沉管浇筑的坐底基础11，将壳式沉管运输至坐底基础11上方。

在本步骤中，需要说明的是，如图3所示，坐底基础11紧邻浇筑码头13铺设，并且靠近壳式沉管的拼装区14，以便于将壳式沉管12从拼装区14运输至坐底基础11上方。并且，本领域技术人员可以根据施工区域的潮汐情况，选择水位能够没过壳式沉管12顶部且水位变化较小的区域铺设坐底基础11。此外，还需要说明的是，拼装区14可以为陆地区域、干坞或浮船坞等，只要能够完成壳式沉管12的拼装作业即可。

S2：通过所述沉管浇筑系统中的进水单元51向壳式沉管的管腔4内注入压载水，直至壳式沉管下沉至坐底基础11上，壳式沉管下沉过程中所述沉管浇筑系统中的浇筑溜管61伸出水面以上。

如图4所示，在本步骤中，需要说明的是，通过进水单元51向壳式沉管的管腔4内注入压载水的具体步骤为：通过进水泵512将压载水经进水管511注入壳式沉管的管腔4内。此外，还需要说明的是，在壳式沉管下沉过程中保持浇筑溜管61伸出水面以上，是为了防止水流经浇筑溜管61流入浇筑舱格3中，影响浇筑质量。

S3：通过浇筑溜管61将混凝土注入壳式沉管的浇筑舱格3内，同时通过所述沉管浇筑系统中的排水单元52排出与注入混凝土等量的管腔4内的压载水，直至壳式沉管对坐底基础11的压力在设计压力范围以内。

如图4所示，在本步骤中，通过伸出水面的浇筑溜管61将混凝土注入位于水底的壳式沉管的浇筑舱格3内，实现了壳式沉管的水中坐底浇筑。需要说明的是，本步骤中浇筑采用的混凝土为自密实混凝土，采用这种混凝土，在浇筑期间无需振捣混凝土，有利于提高施工效率。此外，在本步骤中，通过排水单元52排出管腔4内的压载水的具体步骤为：通过排水泵522将管腔4内的压载水经排水管521排出。需要说明的是，本步骤中通过排水单元52排出压载水以保持壳式沉管对坐底基础11的压力在设计压力范围以内，是为了避免坐底基础11因受到过大压力而坍塌的现象，有利于保证壳式沉管在浇筑过程中的稳定。本领域技术人员可通过排出与注入混凝土相同质量的压载水的方式，实现对壳式沉管与坐底基础11之间压力的控制。可以理解的是，本领域技术人员也可采用其他的控制装置控制排水单元52排水，进而控制壳式沉管与坐底基础11之间的压力。

S4：浇筑舱格3内注满混凝土后，排水单元52将管腔4内的压载水全部排出，同时壳式沉管上浮，完成浇筑。

如图4所示，在本步骤中，浇筑舱格3内注满混凝土后，通过全部排出管腔4内的压载水即可使壳式沉管上浮以备浮运，操作简单，施工效率高。需要说明的是，在设计壳式沉管时，需要保证壳式沉管浇筑完成后，其浮于水面时干弦在0.2m-0.3m以便于浮运。

在本发明的一优选实施例中，坐底基础11与壳式沉管的总高度小于施工区域水位，且总高度与施工区域水位之间的差值在0.5m以上。本优选实施例通过进一步限定坐底基础11与壳式沉管的总高度需小于施工区域水位，能够确保壳式沉管在浇筑完成后可浮于水面，以便于进行后续浮运作业。

在本发明的一优选实施例中，浇筑溜管61伸出水面的高度在1m以上。本优选实施例进一步对浇筑溜管61伸出水面的高度进行了限定，这主要是因为浇筑溜管61伸出水面的高度过低时，存在因水位波动而使水流流入浇筑溜管61的风险。可以理解的是，本领域技术人员可根据施工区域的潮汐情况，具体确定浇筑溜管61伸出水面的高度，该高度可以为1m、1.5m、2m、2.5m、3m等。

在本发明的一优选实施例中，设计压力范围为2000kN-8000kN。本优选实施例对设计压力范围进行了具体限定，当壳式沉管对坐底基础11的压力超出此范围时，均可能影响施工。例如：若壳式沉管对坐底基础11的压力低于2000kN，则当施工区域水位升高时，壳式沉管可能因受到浮力作用增大而上浮，影响浇筑施工；若壳式沉管对坐底基础11的压力高于8000kN，则可能因排水单元52排水不及时，造成坐底基础11的坍塌。可以理解的是，本领域技术人员可根据壳式沉管的重量和施工区域的潮汐情况，具体确定设计压力的范围。

在本发明的一优选实施例中，如图4所示，在注入混凝土时，通过压力传感器7实时测量壳式沉管对坐底基础11的压力，通过控制器8接收该实时压力信息，经分析判断后控制压载装置5注入或排出压载水以使壳式沉管对坐底基础11的压力在设计压力范围内。需要说明的是，控制器8的具体工作过程为：控制器8的接收模块81接收压力传感器7测量的实时压力信息，并发送给控制器8的判断分析模块82，判断分析模块82判断该实时压力与设计压力范围的上限和下限的大小，若该实时压力大于设计压力上限，判断分析模块82发送第一控制信号至控制模块83，控制模块83依据第一控制信号控制排水单元52向外排出压载水，直至实时压力小于设计压力上限时，控制排水单元52停止排水；若该实时压力小于设计压力下限，判断分析模块82发送第二控制信号至控制模块83，控制模块83依据第二控制信号控制进水单元51向管腔4内注入压载水，直至实时压力大于设计压力下限时，控制进水单元51停止注水。本优选实施例通过压力传感器7和控制器8的配合，能够精确控制压载装置5及时注入或排出压载水，使壳式沉管对坐底基础11的压力保持在一定的设计压力范围内，有效避免了坐底基础11因受到过大压力而坍塌的现象，有利于保证壳式沉管在浇筑过程中的稳定。

本发明提供的浇筑方法能够在水中坐底浇筑壳式沉管，适用于陆域受限地区的施工，操作简单、施工效率高，而且相比于浮式浇筑法，由于坐底基础11完全托住壳式沉管的底部，施工质量和安全性高。

Claims (10)

1.一种沉管浇筑系统，用于在水中的坐底基础上浇筑壳式沉管，所述壳式沉管包括外壳和内壳，所述外壳和内壳之间形成浇筑舱格,所述内壳以内形成管腔，其特征在于：所述沉管浇筑系统包括压载装置和浇筑装置；

所述压载装置包括用于向所述管腔内注入压载水以使所述壳式沉管下沉至坐底基础的进水单元，以及用于向外排出压载水以使所述壳式沉管上浮的排水单元，所述进水单元和排水单元分别与所述管腔相连通；

所述浇筑装置包括用于将混凝土注入所述浇筑舱格的浇筑溜管，所述浇筑溜管与所述浇筑舱格相连通。

2.根据权利要求1所述的沉管浇筑系统，其特征在于：所述进水单元包括与所述管腔相连通的进水管，所述进水管连接有进水泵；所述排水单元包括与所述管腔相连通的排水管，所述排水管连接有排水泵。

3.根据权利要求1或2所述的沉管浇筑系统，其特征在于：所述压载装置还包括设置于所述管腔内的压载水箱，所述进水单元和排水单元分别与所述压载水箱相连通。

4.根据权利要求1所述的沉管浇筑系统，其特征在于：所述浇筑溜管一端伸入所述浇筑舱格，其另一端设有漏斗，且所述漏斗设置于所述浇筑溜管的浇筑口处。

5.根据权利要求1所述的沉管浇筑系统，其特征在于：所述沉管浇筑系统还包括控制装置，所述控制装置包括用于测量所述壳式沉管对坐底基础压力的压力传感器，以及用于控制所述压载装置注入或排出压载水的控制器；所述压力传感器安装于所述壳式沉管的底部，所述控制器分别与所述压力传感器、进水单元和排水单元电连接，以接收所述压力传感器测量的实时压力信息并控制所述进水单元注入压载水或控制所述排水单元排出压载水。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的沉管浇筑系统浇筑壳式沉管的浇筑方法，其特征在于，包括如下步骤：

在水底铺设用于壳式沉管浇筑的坐底基础，将所述壳式沉管运输至所述坐底基础上方；

通过所述沉管浇筑系统中的进水单元向所述壳式沉管的管腔内注入压载水，直至所述壳式沉管下沉至所述坐底基础上，所述壳式沉管下沉过程中所述沉管浇筑系统中的浇筑溜管伸出水面以上；

通过所述浇筑溜管将混凝土注入所述壳式沉管的浇筑舱格内，同时通过所述沉管浇筑系统中的排水单元排出与注入混凝土等量的所述管腔内的压载水，直至所述壳式沉管对所述坐底基础的压力在设计压力范围以内；

所述浇筑舱格内注满混凝土后，所述排水单元将所述管腔内的压载水全部排出，同时所述壳式沉管上浮，完成浇筑。

7.根据权利要求6所述的浇筑方法，其特征在于：所述坐底基础与所述壳式沉管的总高度小于施工区域水位，且所述总高度与施工区域水位之间的差值在0.5m以上。

8.根据权利要求6所述的浇筑方法，其特征在于：所述浇筑溜管伸出水面的高度在1m以上。

9.根据权利要求6所述的浇筑方法，其特征在于：所述设计压力范围为2000kN-8000kN。

10.根据权利要求6所述的浇筑方法，其特征在于：在注入混凝土时，通过所述压力传感器实时测量所述壳式沉管对所述坐底基础的压力，通过所述控制器接收该实时压力信息，经分析判断后控制所述压载装置注入或排出压载水以使所述壳式沉管对所述坐底基础的压力在设计压力范围内。