154从投标设计到沉管隧道施工的工程发展斯德哥尔摩Citybanan工程的S.docx
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154从投标设计到沉管隧道施工的工程发展斯德哥尔摩Citybanan工程的S
从投标设计到沉管隧道施工的工程发展-斯德哥尔摩Citybanan工程的Söderströms隧道.
摘要:
Soderstromstunneln是巴南城项目的一部分,巴南城位于瑞典的斯德哥尔摩。
该项目由一个长约6千米的双线隧道和两个新地下车站组成,这条隧道运行在斯德哥尔摩市中心地下。
沉管隧道Soderstromstunneln约440米长,位于Riddarifjarden的东部,连接Riddarholmen和Sodermalm。
承标设计阶段包括对业主招标设计的全面改革。
将浇铸在干物中的混凝土管节改为浇铸在移动干坞中的具有钢外壳的复合管节。
合同签署后,由于施工地点和运输线路的变更,该项目经历了好几个发展阶段。
在这一时期,主结构系统也从普通的钢筋混凝土改为纵向后张方案。
施工时,更改长排设计是为了进一步优化浮动条件下复杂的建设顺序。
关键词沉管隧道,钢-混复合材料,设计-制造项目,项目发展
1.简介
Soderstromstunneln是巴南城项目的一部分,巴南城位于瑞典的斯德哥尔摩。
该项目由一个长约6千米的双线隧道和两个新地下车站组成,这条隧道运行在斯德哥尔摩市中心地下。
这条新线建成后,斯德哥尔摩市中心的铁路运力将提高一倍。
图1为该项目的概观。
Soderstromstunneln约440米长,位于Riddarifjarden的东部,连接Riddarholmen和Sodermalm。
隧道的设计和制造合同是与ZublinScandinaviaAB和E.Pihl&SonA.S.合资公司签订的,两位主要的设计师分别是Ed.ZublinAG(深坑施工、岩石隧道和桩基础)、COWI(沉管隧道和结合处)。
图1.巴南城项目概览
该合同价值13.3亿瑞典克郎,从160亿克朗的巴南城项目预算中扣除。
Soderstromstunneln由两条短的硬岩隧道组成,这两条隧道的两头都有盖挖隧道,中间有一个结合部和300米长的沉管隧道。
在Sodermalm的南侧,一个增加的200米长的隧道通道将被建成岩石隧道。
由于覆盖在基岩上的土质较松软,沉管隧道的组成部分将由4组桩群支撑,并且有一部分桩群固定于在现在的海床上。
桩群之间的标准距离是55米,将沉管隧道建成为一个水下桥梁。
图2为纵向提高正面图。
进入现场的要求非常严格,因为附近的水深要控制在6.5米以内,而且工地位于斯德哥尔摩的中心地带,北边就是具有历史意义的Riddarholmen,那里禁止重型施工车辆通行。
图2.纵向提高正面图,完工图(从北至南)
2.业主设计图
2.1总体
图3.纵向提高正面图(业主解释性设计)
设计规格包括一系列需要满足的具体要求,例如:
不锈钢薄膜,严格的缝隙宽度标准。
为能够有更多可选择方案,合同文件是对外开放的。
在招标和谈判期间,在业主的要求下,进行了数个成本缩减调整。
接下来将讨论最重要的部分。
2.2结构体系
隧道的结构体系是锚固在南部岩石上的一个连续横梁。
隧道的北端是可移动的,活动缝位于结合部内部。
活动致密接头由两个一样的欧米伽封闭,内部的封闭可以在干燥环境下进行检查,只需经由一个环绕隧道的坑道。
外部的封闭可以经由坑道查看,但这种情况下必须有潜水员的帮助,因此外部坑道是永久浸水的。
图4.隧道横切面示意图(业主解释性设计图)
该隧道有4种不同的支撑:
1)在结合部内的传统桥梁支座,2)直接由混凝土底座支撑,3)钢桩芯桩群和4)干坞的混凝土板堆。
为了减少纵向移动产生的内部压力,结合部外的所有支撑都装备了聚乙烯滑动层。
由于纵向滑动力较小,因此最南端的支撑没有这一装备。
图3为纵向提高侧面图。
根据业主的设计图,隧道建议建成墙体和底板带有3mm不锈钢薄膜的传统混凝土隧道。
顶板上有沥青薄膜,起保护作用。
结构系统指明不包括钢薄膜。
进而,推荐建造一个压载物轨道系统,使得轨道系统总高度达到0.91m。
参见图4。
2.3施工顺序
业主设计图所示的施工顺序包括校正干坞;建议首先将隧道北端浇筑到干坞内。
使该部分浮起,然后放置在终点。
重建干坞的后墙和北边环绕该部分外部的建设深坑。
接着重建南部,过程与北部类似。
此时便能够浇筑南北两端的结合处,最后中部就能直接浇筑到这两部分已经确定了位置的末端上。
参见图2和图3.
图5.建造顺序1、2(业主解释性设计图)
图6.建造顺序5、6(业主解释性设计图)
2.4干坞
图7.干坞的横切面示意图(业主解释性设计图)
在业主设计图中,施工过程的中期是干坞.框架设计包括一个完全对准的浮桥和一个大的浮动工作平台,该平台是为重型起重机之类的东西而设的。
干坞的施工建议是,使用钢板桩墙施工,水下底板用桩支撑建造。
上部是由一个大桁架支撑的。
干坞宽约25米,长约100米。
如图7所示,干坞部分的临时干坞施工包括大量的桩,水下混凝土和结构钢,这些都是不能永久性重复利用的。
对于隧道施工的可选择方案的寻找存在很大的争议。
3.招标阶段的项目进展
3.1浮动钢盒—从钢材集散场到斯德哥尔摩的浮动运输
图81号隧道元件的钢壳,已完成第一步浇筑
根据业主设计图,需要改变的的最重要部分是临时建造干坞。
推荐方案中,要将20米深的建设深坑打开和关闭数次,还要把建造干坞中100米长的垫板堆起来,这两项工作都花费巨大,而且耗时很长。
承包商和顾问在寻找一个减少开放次数和临时建造的方案。
业主特别要求外墙要有一个3毫米的不锈钢外壳(或者与之类似的东西)和底板。
这个想法是为了运用钢材建造浮动框架,这就使建造干坞过剩了。
该方案要求有一个比最初的3mm不锈钢壳更厚的壳。
经过投标阶段的讨论,决定将3mm厚的不锈钢换成10mm厚的碳钢。
这10mm全部用于临时阶段,其中的5mm用于一侧的腐蚀裕度。
剩下的5mm钢材,可以在征得业主同意后运用到永久结构中,详情参见3.2.
为了加强薄钢板,纵向扁球铁的焊接间隔为1,0米,堞型梁则是横向焊接,间距为1,5米。
保持整体稳定性的一个间距6米的支撑系统,包括两个大型纵向H型横梁。
压力的传导是从堞型梁经过墙顶的纵梁到底板的支撑线。
这种钢材是为临时荷载状况设计的,它能承受的压力包括装卸货,海上运输,停泊,以及混凝土浇筑。
其主要荷载是隧道管节逐渐下沉中产生的水压。
图9.隧道元件的剪力接合器在拐角处的细节图
3.2钢-混复合材料
根据相关规格,钢筋混凝土的缝隙宽度标准应控制在0.1mm内。
这项规定的实施需要有一个很高的配筋率。
对此与业主达成了共识:
出于对结构的考量,允许使用厚度为5mm的钢壳。
这就为外部钢材用于临时和永久阶段创造了可能。
壳与混凝土段之间的剪切通过安全螺栓传递。
参见图9.螺栓是用来减轻这两者之间的滑动,其使用率仅为设计值上限的55%。
这是依据BS5400第5部分得出的结论。
5毫米的钢壳(超过使用期限时出现腐蚀仍然保留)是作为每1米平板上5000平方毫米的外部强化物而使用的,相当于一层ø25钢筋。
在裂隙宽度的计算中,出于对混凝土张力的考量而使用了外部强化物,裂隙长度的计算只将预埋钢筋纳入了考虑。
图10.隧道横切面(完工图)
3.3横切面
在投标阶段和最终设计时,各方关注的一个焦点是如何缩小隧道的外部容积,从而减轻其重量。
但由于爆破任务过于艰巨,所以无论是隧道内部还是外部,任何大规模的缩减都是不现实的。
然而,对隧道内部宽度和重量的优化则实现了这一可能。
用平板轨道系统取代碎石轨道系统可以最大限度的削减横切面的体积。
其总高度将由0.91m减少至0.50m。
参见图10.这一方法有效减少了最坏情况下的重量,因此也极大的节省了隧道元件和桩基础的数量。
此隧道是建筑在桩支撑之间,就像一个地下桥梁一样,与传统沉管隧道相比较,当前的地基建造原则使隧道对高效固定负载反应非常灵敏。
3.4建造顺序
图11.即将安装的隧道元件
斯德哥尔摩中部的临时干坞由三个浮动钢壳组成的浮动铸件替换,这一转变使重排建造顺序和调整隧道长度变为可能。
为了减少隧道北端的建筑深坑,决定尽可能的延长隧道长度。
实现这一构想需要很多步骤,最终的方案是将隧道总长度延长19.2m。
沉管隧道组成部分总长度为300m。
隧道划分为3段,其中两段长度为1075m,另外一段为85m。
之所以要将整条隧道分为几段稍短的部分,是因为隧道的南端略有弧度,进而将增大隧道的宽度。
对于交通运输来说,宽度至关重要,关于这一点,本章稍后还有阐述。
能够将隧道的其中一个部分—钢外壳—移出易受滋扰的斯德哥尔摩中部城区,要归功于对钢部分的引进。
最终决定在Estonia的Talliinn的一个船坞制造钢外壳。
图12为即将安装的第一部分。
为缩减在斯德哥尔摩城市中部的工作量,大约50%的混凝土将在城外浇筑。
为此找到了一个合适的场地位于Malaren湖,临近Sodertalje。
此处有自己的港口设备,可作为永久的混凝土拌和厂使用。
隧道外混凝土的拌和量是由运输船吃水深度决定的。
在招标阶段的初期,最开始的想法是打算直接将隧道元件拖到斯德哥尔摩,后来改为用经由Baltic海的平底货船装运。
由于隧道施工地点不在斯德哥尔摩,而Soderstrom隧道位于斯德哥尔摩的Malaren湖的Slussen(水闸)附近,因此实现这个方案的主要困难就是Sodertajie水闸是通往施工地点的必经之路,而它又过于狭窄,难以容纳隧道元件。
招标阶段给出的决方案是,在通过水闸之前,将隧道元件卸载下来并借助压载箱使其翻转,隧道元件就竖起来了,底板与地面垂直。
穿过码头之后,再将其翻转到原来的位置即可。
该方案经过调整,其后用来解决钢外壳的运输,即用支架将钢外壳架到货船顶部,这样它就高出了码头的铁路线。
这都是经过相关专家证实了的,该方案为体积大于水闸的货品能够顺利通过创造了可能。
图12.隧道元件正在通过码头
当混凝土浇筑到总量的50%时,隧道元件就会被运往施工地点进行剩余的混凝土浇筑,至此,隧道元件完成了埋入前的所有工序。
为确保沉埋工作的连续性,三部分隧道元件必须在沉埋工作开始前就结束所有工序。
与此同时,岸边的两部分也要完工。
图13.沉管连接图
为避免频繁开合通往南北岸建筑深坑的墙体,应用了沉管隧道的一个典型系统。
南岸的隧道元件和挖埋隧道都安装了隔板、GINA垫圈和(或)GINA构架。
GINA构架安装在隧道横切面的外部,因此从内部焊接钢外壳之后;接合处的横切面就完成了全层加筋混凝土部分的建造。
一个完整的隧道就此建成。
图14.沉埋顺序,2号元件沉埋并与3号相连接
最后的接合处理应用了特殊方案。
按照惯例,所有的隧道元件完成沉埋之后,潜水员会在元件之间预留的1.5-2.5米距离中放置结桥,同时元件之间还要安装一些支架,用于抵抗接合处排水之后受到的水压。
为避免由潜水员完成所有工作,决定采用一种新的方案—由结合部充当最后的接合处。
图15.结合处和1号元件的临时位置与最终位置
沉埋工作是从3号元件开始,连接南岸的短挖填隧道。
结合部已经在干燥条件下建于北端的建筑深坑内。
这个建筑深坑已被水淹没,前端的围堰也被拆除。
1号元件沉埋在结合部内部,与最终位置相比向北偏了大约3米,为2号元件的沉埋留下了足够的空间。
2号元件沉埋后与3号元件相连接。
参见图14。
1号元件向南移与2号元件相连接,参见图15。
外层与结合部之间的间隙是暂时封闭的,并且结合部里的水可以排空。
隧道的最后一部分浇筑在结合部中的原来的位置上,永久密封起来。
临时密封的压力移除,外部观察坑道就被水覆盖了。
4.合同签订后的项目进展
4.1纵向后拉张力
在设计的第一阶段,纵向设计是在采用低碳钢的基础上进行的。
然而由于隧道内张力太大,裂隙宽度又必须严格符合0.1mm的标准,这就要求一个很高的配筋率以达到这个标准。
向下斜坡和桩的压力,以及由于温度,潜变和收缩引起的摩擦力,导致了隧道内高强度张力的产生。
基于此,永久后张拉的方案更加经济。
温度荷载造成了工作隧洞内出现下层外部“冷”角,这是后张拉系统设计面临的主要挑战。
工作隧洞内的温度通常低于主隧道4°,此外,隧道内还存在从上到下的一个全球性温度梯度。
最终设计是采用后张拉法,压力差不多统一分散在外墙和平板上,除了工作隧洞内未曾安装电缆的外墙下层,这是因为瑞典混凝土规范中对后张拉电缆的压缩有严格要求。
图16.后张拉电缆的典型位置
后张拉系统是由贯穿脉外巷道的隧道南端和结合部里的隧道北端的电缆组成。
脉外巷道里的混凝土衬砌是用特殊石锚钉回到岩石里的。
为减少摩擦损耗,60%(可允许的最大限度)的电缆是拼接到沉埋接合处的。
4.2桩帽上省去滑动层
基于对桩支撑的分析,客户解释性设计中将斜桩改为了垂直桩,参见图2,图3。
每个桩基础都由34到46个钢堆心组成,钢芯的直径相对较小,为180mm,套管的直径则是273mm。
修改目的就是将桩群的横向刚性减少到一个较低的水平,因此桩帽与隧道之间就不会发生滑动。
这样做的直接结果就是桩帽顶部的滑动层得以省去。
滑动层仅仅存在于混凝土柱脚支承,直接浇筑于结合部南部40m开外的基岩上。
4.3桩帽的建造仅采用UW混凝土
招标文件中要求,桩帽的上表面要用预铸的混凝土元件建造。
即在潜水员的协助下,水下安装预铸元件,随后用水下混凝土浇筑桩帽剩余部分,但这并不是有技术含量的理想方案。
之所以有这样的要求,是因为客户曾经历过类似的水下混凝土浇筑,结果得到的桩帽上表面质量不佳。
事实上,利用先进的水下混凝土技术,可以得到高质量的混凝土。
在没有预铸元件的情况下,JV通过追踪浇筑证实了该方案的可行性。
隧道元件将被放置在位于桩帽凹槽处的临时千斤顶上。
当隧道元件矫正了位置之后,元件与桩帽之间会出现大约300mm的空间,然后被用泵打入薄泥浆的袋子永久性填满。
4.4临时封闭设计—改为D-封闭
图17.临时封闭和结合处
本文的前几部分提到过,在客户解释性设计中,关于结合部和隧道元件之间的临时封闭的构思,是使用充气式密封作为结合部里的初期临时封闭。
而制造耐性高的连环充气式密封很有挑战,因此这一构思其后改为采用建立在D-封闭和液压传动装置上的系统。
参见图17.
5.2010年11月的施工状态
两岸的建筑深坑的施工进展良好,四个桩支撑群已经完成了三个。
3个钢外壳已经完工并送达斯德哥尔摩地区。
1号元件放置在斯德哥尔摩工地,混凝土浇筑已完成80%。
2号元件放置在混凝土拌和厂—underas,底板浇筑完成。
3号元件放置在Malaren湖临近的拌和厂。
整个浇筑工作的完成就取决于1号元件的进度。
6.经验教训
通过现阶段的项目进展学到最主要的两点:
1)招标的选择;2)沉管隧道类型的未来发展——浇筑在自承式钢壳上。
另
(1):
选择让业主将巴南城隧道项目签为设计建造合同是正确的决定。
最终的设计方案很大程度上向客户解释性设计靠拢,最终的解决方案也都经过技术优化,更加的灵活,后者要归功于中城区在施工期间受影响较少。
(2):
在整个进程中,浮动系统的浇筑对项目调查的要求非常高,这是为了降低不同浇筑阶段对隧道形状的监视。
在有波浪的环境中,对隧道的冲级灵敏度和受重位置测定,测定方法要难易结合,交替使用。
传统的水准测量结合先进的3D激光扫描,对于测量隧道元件的形状是非常有效的方法。
这套测量系统还有待发展,其类似于某种自动测量系统,并将在3号隧道元件上得以应用。
图18.2号元件的浊点3D扫描图
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