CN107653861B - 一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔 - Google Patents
一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，包括塔体，塔体的底部海床设有岛塔基础，塔体的顶部海平面以上部分连接有塔顶，塔体的塔壁上设有观景窗，塔体的内部设有升降电梯、换气管和气闸站；塔体下部塔壁设置真空管道穿孔，从下往上在塔体的塔壁间隔预埋外吊耳，外吊耳对应的塔壁内部设置有内吊耳，相邻的内吊耳之间连接有吊装杆；施工方法是先在干坞中焊接制作楔形底圈，浇铸岛塔基础裙壁和塔壁，至超过船坞深度，开闸注水，用拖船拖至预定位置，继续浇铸，逐步往海中下放，直至基础嵌入海床，抽海水挖泥、铸基础，完成其他施工；本发明使海底真空管道外部检修容易，同时提供从海底快速、安全地到达海面的通道。
Description
技术领域
本发明属于真空管道交通与海洋工程技术领域，具体涉及一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔。
背景技术
今天的高速铁路、磁悬浮列车，都因受到空气阻力、气动噪声、气动振动等制约，而无法进一步提高速度。飞机和汽车除了受空气阻力影响外，因高能耗和大量碳排放，将来发展也会受到限制。真空管道高速交通克服上述缺点，是一种能达到超高速度，且能耗很低、环境影响很小的交通模式，可望从根本上解决人类交通所面临的各种困境。这种交通方式由管道、磁悬浮车辆、驱动与控制、真空泵、真空测量、远程监控系统等部分组成。运行时，管道内抽成一定真空，然后车辆在其中行驶。由于同时消除了机械摩擦和空气阻力，不仅所需驱动力很小，而且速度可以很快。
在跨海通道建设领域，跨海大桥、海底隧道已得到广泛应用，施工技术成熟。其中跨海大桥需要高出海平面的桥墩支撑，适合近岸浅海；海底隧道能适应较深海域，但工程造价高，施工风险和运营风险大。另外，沉管隧道结构庞大，要求河床或海床平缓，不能有大起伏，只适合短距离浅水域，不适合距离较长及水深较大的海域；悬浮隧道是被理论界看好的跨海交通新模式，预计建设成本低于跨海大桥、海底隧道，对海域的适应性很强，但目前没有现实应用，建设成本、施工难度仍然较高。
近年来越来越受到全世界关注的真空管道交通，断面小、结构轻型、集成度好，当作为跨海通道方案在海底建设时，成本低于跨海大桥、海底隧道、悬浮隧道。在施工技术方面，已经普遍实施的海底输油管道建设经验可提供良好的参照与借鉴。海底环境对真空管道具有特殊优越性，例如海水可以为真空管道降温，提供恒温环境，还可为管道提供均匀浮力，抵消管道自身重力作用，减小结构强度要求，降低工程费用，因此海底真空管道作为真空管道交通先行先试工程具有可行性、可能性。
海底真空管道的基本形式为，在海床上修建固定墩台，然后通过水下施工方法，把真空管道管段按要求的精度架设在墩台上，再用水下密封连接方法把所有管道固定连接。地面真空管道可以很方便地在外部进行检修，而海底真空管道外部检修困难，同时对于长度大于10km的海底真空管道，还需要在沿线设置真空泵站、排气井、检查口、紧急撤离口，提供能够从海底到达海面的通道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，使海底真空管道外部检修容易，同时提供从海底快速、安全地到达海面的通道。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，包括塔体1，塔体1的底部海床设有岛塔基础13，塔体1的顶部海平面以上部分连接有塔顶12，塔体1的塔壁11上设有观景窗4，塔体1的内部设有升降电梯5、换气管6和气闸站81；塔体1下部塔壁11设置真空管道穿孔2，从下往上在塔体1的塔壁11间隔预埋外吊耳31，外吊耳31对应的塔壁11内部设置有内吊耳32，相邻的内吊耳32之间连接有吊装杆33。
所述的塔体1为圆柱形、椭圆柱形、棱柱形、圆锥形或棱锥形，当为棱形时，是四棱柱、六棱柱或八棱柱，或四棱锥、六棱锥或八棱锥。
所述的塔体1内部每5～10m分隔成一层，供设置观景平台或工作间。
所述的真空管道穿孔2中心线跟海底真空管道中心线重合；观景窗4的位置和数量根据需要和设计确定，用钢化玻璃制作。
所述的升降电梯5包括电梯井51，电梯井51内部的电梯轿厢52设置成气密性的，内部设置生命保障系统，采用牵引式电梯轿厢。
所述的换气管6通过压缩气泵61往塔体1底部充入空气，使塔体1内部气流循环，或通过换气管6给塔体1内补充氧气；或在换气管6上部安装吸气泵，使塔体1内部气流循环；根据设计需要，供换气用的压缩气泵61或吸气泵也能够安装在塔体1底部；换气管6间隔设置有通气阀62，通气阀62根据各层观景平台或工作间换气需要打开或关闭。
所述的塔顶12上设置瞭望台、海洋观测、导航灯塔、信号接收与发射装置。
所述的岛塔基础13包括基础裙壁131和基础顶部133，基础裙壁131底部设有楔形底圈132；楔形底圈132由硬质高强度金属材料制作。
所述的岛塔基础13为圆形，高度要能保证在到达海底岩层后，或嵌入泥沙深度能够提供足够稳定性条件下，岛塔基础顶部133高于海床，但低于真空管道底部限界。
一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔施工方法，包括以下步骤：
步骤一：在岸边干坞中焊接制作楔形底圈132，浇铸基础裙壁131，当基础裙壁131达到设计高度时，再开始连续浇铸塔壁11，塔壁11预埋外吊耳31和内吊耳32；塔壁11下部预留两个真空管道穿孔2，真空管道穿孔2孔径跟真空管道外径一致，并设置密封层；在塔壁11上预留观景窗4的窗口孔；
步骤二：当塔壁11浇铸到超过船坞深度2～5m时，停止浇铸，待基础裙壁131和塔壁11养护成型；在预留真空管道穿孔2处安装临时封堵塞和紧固装置，同时安装观景窗4，真空管道穿孔2的临时封堵塞和观景窗4或在浇铸塔壁11过程中一并安装到位；船坞开闸注水，至与海平面平齐；
步骤三：用拖船把已经浇铸完成的部分塔体拖至预定的位置；
步骤四：继续往上浇铸塔壁11，直至超过浇铸施工平台5～10m，然后进行新浇铸部分塔壁11硬化和养护成型，同时进行新浇铸部分塔壁11的外吊耳31、内吊耳32、观景窗4施工安装；
步骤五：把已经完成的部分塔体往海中下放，使浇铸施工平面以上露出1～2m；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直至岛塔基础13底部接触到海床；
步骤七：在声纳、GPS、潜水员或水下机器人协助下，对岛塔基础13进行定位，并在重力及水下机器人、潜水器设备协助下使岛塔基础13嵌入海床，直至其底部不再漏水；
步骤八：抽出岛塔内海水，挖出底部泥沙，使岛塔基础13连同塔壁11继续下沉，直至到达岩层或能保证岛塔长期稳定的嵌入深度，再用混凝土浇铸塔体1内部基础，并通过拉索7将塔体1和海床固定；
步骤九：岛塔基础13和塔体1完全稳固后，进行海面以上塔顶12施工，安装升降电梯5和换气管6，在预留的各层建造海下观景平台或工作间；
步骤十：当海底真空管道线路铺设到塔体1时，管端进入预留的真空管道穿孔2，推动临时封堵塞，直到管端进入岛塔内部设计位置，该过程为密封操作，要求确保海水不会进入；
当另一方向的海底真空管道进入塔体1另一方向上的真空管道穿孔2后，打开两管端密封塞，安装法兰82及气闸站81；安装抽真空机组，建设真空泵站83。
本发明的有益效果是：
本发明岛塔为海底真空管道提供稳固支撑与连接，解决海底真空管道沿线布置真空泵站、检查维修站及紧急救援出口所面临的被海水包围之困境。本发明岛塔是多功能的，除了用于海底真空管道的支撑、连接，为设置真空泵机组、真空泵站、抽真空排气井、检查口提供场所，供检查维修人员及检查维修车辆、设施在海底中途进出真空管道，供乘客及车辆紧急撤离，还可作为跟海底真空管道并行的海底油气管道(以及海底电缆、海底光缆)的连接处、检查口、中继站，还可用于海防瞭望、国防哨所、通航检查站、导航、雷达站、遥感中继站，用于海上及海底游览观景、海洋科学考察等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的侧视图。
图3为图1的A-A剖视图。
图4为图2的C-C剖视图。
图5为图2的B-B剖视图。
图6为岛塔基础与部分塔壁从船坞拖至海上施工现场预定地点就位图。
图7为完成某阶段混凝土连续浇铸示意图。
图8为完成某阶段部分塔体下放示意图。
图9为附加拉索固定岛塔示意图。
具体实施方式
下面以双管圆形断面真空管道及圆柱形岛塔为例结合附图对本发明做详细描述。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其本质是一种海洋人工岛，但高径比大于普通人工岛，内部空心，形似塔式建筑，因此称为岛塔，包括塔体1，塔体1的底部海床设有岛塔基础13，塔体1的顶部海平面以上部分连接有塔顶12，塔体1的塔壁11上设有观景窗4，塔体1的内部设有升降电梯5、换气管6和气闸站81；塔体1下部塔壁11设置真空管道穿孔2，从下往上在塔体1的塔壁11间隔预埋外吊耳31，外吊耳31供锚杆或拉索7对塔体1加固使用，外吊耳31对应的塔壁11内部设置有内吊耳32，相邻的内吊耳32之间连接有吊装杆33，吊装杆33供施工吊装使用。
所述的塔体1内部每5～10m分隔成一层，供设置观景平台或工作间。
所述的真空管道穿孔2在岛塔基础顶部133以上一定高度处，岛塔位置固定后，要求真空管道穿孔2中心线跟海底真空管道中心线重合；观景窗4的位置和数量根据需要和设计确定，可以是小圆窗，也可以是较大的弧形窗，用高强度、不产生光线折射的钢化玻璃制作。
所述的升降电梯5包括电梯井51，电梯井51内部的电梯轿厢52设置成气密性的，内部设置生命保障系统，当发生意外和岛塔内涌水时，电梯轿厢52则成为逃生设备；采用牵引式电梯轿厢，在岛塔内涌水且电梯动力失效的情况下，电梯轿厢52在海水浮力作用下可在电梯井51内自动上浮，直至海平面以上的安全位置，打开电梯轿厢门，人员撤出。
所述的换气管6通过压缩气泵61往塔体1底部充入空气，使塔体1内部气流循环，保持空气清新，或通过换气管6给塔体1内补充氧气；或在换气管6上部安装吸气泵，使塔体1内部气流循环；根据设计需要，供换气用的压缩气泵61或吸气泵也可安装在塔体1底部；换气管6间隔设置有通气阀62，通气阀62根据各层观景平台或工作间换气需要打开或关闭。
所述的塔顶12上设置瞭望台、海洋观测、导航灯塔、信号接收与发射装置等。
所述的岛塔基础13包括基础裙壁131和基础顶部133，基础裙壁131底部设有楔形底圈132；楔形底圈132由硬质高强度金属材料制作，用于引导岛塔基础13楔入软质泥沙沉积层海床。
所述的岛塔基础13为圆形，岛塔基础13底部至顶部的高度要能保证岛塔基础13嵌入海床泥沙后，为岛塔提供足够的稳固作用力；岛塔基础顶部133高于海床，但低于真空管道底部限界。
本发明岛塔的多功能性体现在：除了用于海底真空管道的支撑、连接，还可用于设置真空泵机组、真空泵站83、抽真空排气井，供设置气闸站81、检查口，供检查维修人员及检查维修车辆、设施进出真空管道，供真空管道内乘客及车辆紧急撤离，作为跟海底真空管道并行的海底油气管道(以及海底电缆、海底光缆)的连接处、检查口、中继站，用于海防瞭望、海巡哨所、通航检查站，供设置雷达站，用于海上及海底游览观景、海洋科学考察等。此外，还可为水下真空管道穿越深度与跨度较大的江河、湖泊时提供中途连接与支撑。
一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔施工方法，包括以下步骤：
步骤一：在岸边干坞中焊接制作楔形底圈132，浇铸基础裙壁131，当基础裙壁131达到设计高度时，再开始连续浇铸塔壁11，塔壁11预埋外吊耳31和内吊耳32；塔壁11下部预留两个真空管道穿孔2，真空管道穿孔2孔径跟真空管道外径一致，并设置密封层；在塔壁11上预留观景窗4的窗口孔；
步骤二：当塔壁11浇铸到超过船坞深度2～5m时，停止浇铸，待基础裙壁131和塔壁11养护成型；在预留真空管道穿孔2处安装临时封堵塞和紧固装置，同时安装观景窗4，要求气密性良好，确保不漏水，真空管道穿孔2的临时封堵塞和观景窗4或在浇铸塔壁11过程中一并安装到位；船坞开闸注水，至与海平面平齐；
步骤三：用拖船把已经浇铸完成的部分塔体拖至预定的位置，如图6所示；
步骤四：继续往上浇铸塔壁11，如图7所示；直至超过浇铸施工平台5～10m，然后进行新浇铸部分塔壁11硬化和养护成型，同时进行新浇铸部分塔壁11的外吊耳31、内吊耳32、观景窗4施工安装；
步骤五：把已经完成的部分塔体往海中下放，使浇铸施工平面以上露出1～2m，如图8所示；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直至岛塔基础13底部接触到海床；
步骤七：在声纳、GPS、潜水员或水下机器人协助下，对岛塔基础13进行定位，并在重力及水下机器人、潜水器等设备协助下使岛塔基础13嵌入海床，直至其底部不再漏水；
步骤八：抽出岛塔内海水，挖出底部泥沙，使岛塔基础13连同塔壁11继续下沉，直至到达岩层或能保证岛塔长期稳定的嵌入深度，再用混凝土浇铸塔体1内部基础，并通过拉索7将塔体1和海床固定，如图9所示；
步骤九：岛塔基础13和塔体1完全稳固后，进行海面以上塔顶12施工，安装升降电梯5和换气管6，在预留的各层建造海下观景平台或工作间；
步骤十：当海底真空管道线路铺设到塔体1时，管端进入预留的真空管道穿孔2，推动临时封堵塞，直到管端进入岛塔内部设计位置，该过程为密封操作，要求确保海水不会进入；
当另一方向的海底真空管道进入塔体1另一方向上的真空管道穿孔2后，打开两管端密封塞，安装法兰82及气闸站81；安装抽真空机组，建设真空泵站83，如图5所示。
Claims (10)
1.一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，包括塔体(1)，其特征在于：塔体(1)的底部海床设有岛塔基础(13)，塔体(1)的顶部海平面以上部分连接有塔顶(12)，塔体(1)的塔壁(11)上设有观景窗(4)，塔体(1)的内部设有升降电梯(5)、换气管(6)和气闸站(81)；塔体(1)下部塔壁(11)设置真空管道穿孔(2)，从下往上在塔体(1)的塔壁(11)间隔预埋外吊耳(31)，外吊耳(31)对应的塔壁(11)内部设置有内吊耳(32)，相邻的内吊耳(32)之间连接有吊装杆(33)。
2.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的塔体(1)为圆柱形、椭圆柱形、棱柱形、圆锥形或棱锥形，当为棱形时，是四棱柱、六棱柱或八棱柱，或四棱锥、六棱锥或八棱锥。
3.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的塔体(1)内部每5～10m分隔成一层，供设置观景平台或工作间。
4.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的真空管道穿孔(2)中心线跟海底真空管道中心线重合；观景窗(4)的位置和数量根据需要和设计确定，用钢化玻璃制作。
5.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的升降电梯(5)包括电梯井(51)，电梯井(51)内部的电梯轿厢(52)设置成气密性的，内部设置生命保障系统，采用牵引式电梯轿厢。
6.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的换气管(6)通过压缩气泵(61)往塔体(1)底部充入空气，使塔体(1)内部气流循环，或通过换气管(6)给塔体(1)内补充氧气；或在换气管(6)上部安装吸气泵，使塔体(1)内部气流循环；根据设计需要，供换气用的压缩气泵(61)或吸气泵也能能够安装在塔体(1)底部；换气管(6)间隔设置有通气阀(62)，通气阀(62)根据各层观景平台或工作间换气需要打开或关闭。
7.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的塔顶(12)上设置瞭望台、海洋观测、导航灯塔、信号接收与发射装置。
8.根据权利要求1所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的岛塔基础(13)包括基础裙壁(131)和基础顶部(133)，基础裙壁(131)底部设有楔形底圈(132)；楔形底圈(132)由硬质高强度金属材料制作。
9.根据权利要求8所述的一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔，其特征在于：所述的岛塔基础(13)为圆形，高度要能保证在到达海底岩层后，或嵌入泥沙深度能够提供足够稳定性条件下，岛塔基础顶部(133)高于海床，但低于真空管道底部限界。
10.一种用于支撑连接海底真空管道的多功能空心人工岛塔施工方法，包括以下步骤：
步骤一：在岸边干坞中焊接制作楔形底圈(132)，浇铸基础裙壁(131)，当基础裙壁(131)达到设计高度时，再开始连续浇铸塔壁(11)，塔壁(11)预埋外吊耳(31)和内吊耳(32)；塔壁(11)下部预留两个真空管道穿孔(2)，真空管道穿孔(2)孔径跟真空管道外径一致，并设置密封层；在塔壁(11)上预留观景窗(4)的窗口孔；
步骤二：当塔壁(11)浇铸到超过船坞深度2～5m时，停止浇铸，待基础裙壁(131)和塔壁(11)养护成型；在预留真空管道穿孔(2)处安装临时封堵塞和紧固装置，同时安装观景窗(4)，真空管道穿孔(2)的临时封堵塞和观景窗(4)或在浇铸塔壁(11)过程中一并安装到位；船坞开闸注水，至与海平面平齐；
步骤三：用拖船把已经浇铸完成的部分塔体拖至预定的位置；
步骤四：继续往上浇铸塔壁(11)，直至超过浇铸施工平台5～10m，然后进行新浇铸部分塔壁(11)硬化和养护成型，同时进行新浇铸部分塔壁(11)的外吊耳(31)、内吊耳(32)、观景窗(4)施工安装；
步骤五：把已经完成的部分塔体往海中下放，使浇铸施工平面以上露出1～2m；
步骤六：重复步骤四和步骤五，直至岛塔基础(13)底部接触到海床；
步骤七：在声纳、GPS、潜水员或水下机器人协助下，对岛塔基础(13)进行定位，并在重力及水下机器人、潜水器设备协助下使岛塔基础(13)嵌入海床，直至其底部不再漏水；
步骤八：抽出岛塔内海水，挖出底部泥沙，使岛塔基础(13)连同塔壁(11)继续下沉，直至到达岩层或能保证岛塔长期稳定的嵌入深度，再用混凝土浇铸塔体(1)内部基础，并通过拉索(7)将塔体(1)和海床固定；
步骤九：岛塔基础(13)和塔体(1)完全稳固后，进行海面以上塔顶(12)施工，各隔层底板施工，安装升降电梯(5)和换气管(6)，在预留的各层建造海下观景平台或工作间；
步骤十：当海底真空管道线路铺设到塔体(1)时，管端进入预留的真空管道穿孔(2)，推动临时封堵塞，直到管端进入岛塔内部设计位置，该过程为密封操作，要求确保海水不会进入；
当另一方向的海底真空管道进入塔体(1)另一方向上的真空管道穿孔(2)后，打开两管端密封塞，安装法兰(82)及气闸站(81)；安装抽真空机组，建设真空泵站(83)。
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