CN109334683A - 一种海底真空管道交通系统及其顶推式铺设方法 - Google Patents

Abstract

一种海底真空管道交通系统及其顶推式铺设方法，系统包括修建在海床上的管墩，管墩上架设有管道，位于海岸上的管道后端和顶推器、焊台配合连接，施工时通过顶推器逐节顶推已经焊接好的管道向前延伸铺设；海底真空管道的中部设置有中继顶推站，管道穿过中继顶推站，中继顶推站设置在人工岛塔内，第一节管道前端设有定位引导潜水器；顶推式铺设方法是用封堵塞封堵第一节管道头，置入顶推台，用顶推管卡卡紧管道，在焊台上焊接另一节管道；启动顶杆，顶推管卡及管道进入海中，不断向前延伸，直到另一端岸上，本发明保证管道铺设过程中无弯曲，具有快速、高效、安全的优点，工程费用低。

Description

一种海底真空管道交通系统及其顶推式铺设方法

技术领域

本发明属于真空管道交通与海洋工程技术领域，具体涉及一种海底真空管道交通系统及其顶推式铺设方法。

背景技术

飞机和汽车除受空气阻力影响外，因高能耗和大量碳排放，将来发展会受到限制。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。真空管道高速交通将克服上述缺点，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面临的各种困境。真空管道交通由管道、磁悬浮车辆、驱动与控制、真空泵、真空计量、远程监控系统等部分组成，运行时，管道内抽成真空，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、海底隧道已有较广泛应用，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。至于沉管隧道，其结构庞大，要求河床或海床平缓，只适合短距离浅水域，不适合距离较长及水深较大的海域。悬浮隧道虽然被理论界看好，建设成本预计低于跨海大桥、海底隧道，对海域的适应性强，但目前没有实际应用，而且建设成本、施工难度依然较高。

与上述几种跨海通道方式相比，真空管道交通断面小、结构轻型、集成度好，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施工经验可提供良好的参照与借鉴。尤其是，海底环境对真空管道具有特殊优越性，低温海水可为真空管道降温，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。

真空管道交通是一项尚未实施的全新运输系统，其海底铺设施工尚无现实应用例，如何快速、高效、安全、经济地实施海底真空管道铺设，什么样的管道结构与支撑才能与相应的施工方法相适应，这些都是需要探索的研究课题。现有的海底输油、输气管道，都是在海床上直接铺设，其直径较小(通常小于1m)，可以有一定弯曲，不要求很高的顺直度和线性精度。而真空管道交通直径大(约2～5m)、刚度大，必须有良好的直线度，不论施工过程还是运营过程，管道都不允许弯曲，所以不适合如输油、输气管道那样直接在海床上铺设，也不能采用如S形海底输油管道铺设那样的让管道有一定弯曲的施工方法。

若采用类似沉管隧道的施工方法，分段铺设海底管道，再对管段之间连接，则紧固与密封处理均需在水下进行，施工难度较大，进度缓慢，工程费用较高。

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海底真空管道交通系统及其顶推式铺设方法，保证管道铺设过程中无弯曲，具有快速、高效、安全的优点，工程费用低。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种海底真空管道交通系统，包括修建在海床上的管墩2，管墩2上架设有管道1，位于海岸上的管道1后端和顶推器4、焊台5配合连接，施工时通过顶推器4逐节顶推已经焊接好的管道1向前延伸铺设；海底真空管道的中部设置有中继顶推站6，管道1穿过中继顶推站6，中继顶推站6设置在人工岛塔内，第一节管道1前端设有定位引导潜水器3。

所述的管道1为截面为圆形或椭圆形，外部光滑，管道1内设置有用于管道1连接和密封的内法兰12，

所述的管道1或通过焊接连接各管段，形成无缝管道。

所述的管墩2上部设置环形管孔20，环形管孔20周边的孔壁201上分布若干滑块22，滑块22通过可调节螺栓23固定在环形管孔20上。

所述的环形管孔20是整铸成型，环形管孔20上半部设置为半圆形管箍202形式。

所述的环形管孔20上部设置成不连续形，即为部分环或上部开放形式。

所述的顶推器4包括顶推台43，顶推台43为混凝土建筑物，其上有供管道1穿越的圆孔；在顶推台43靠海侧圆孔周围固定有顶杆41，顶杆41为螺杆式或液压式，顶杆41端头连接有顶推管卡42，顶推管卡42沿管道1圆周卡住管道1。

所述的焊台5设置在顶推台43陆上一侧，焊台5包括轨道51和焊接承台52，焊接承台52设置在轨道51上，并能够在轨道51上移动。

所述的中继顶推站6内也设有顶推器4和焊台5，这种中继顶推站6适合用于内部空间较大的海底人工岛塔，具有大于50m的内部直径，能满足单节管道长度大于20m的管道焊接或拼装。

一种海底真空管道交通系统的顶推式铺设方法，包括以下步骤：

步骤一：运用海底施工技术建设管墩2，管墩2沿海底真空管道线路方向分布，每隔设定距离设置一个，设定距离为50～300m，其高度与真空管道线路水平高程一致；

步骤二：在线路起点侧离管道入海点不远处的岸上建设顶推台43，安装顶杆41，预备顶推管卡42；同时建设焊台5，即铺设轨道51和安装焊接承台52；

步骤三：用封堵塞101封堵第一节管道1头部；

步骤四：把第一节管道1穿过圆孔置入顶推台43，用顶推管卡42卡紧第一节管道1，第一节管道1另一端放置在焊接承台52上；

步骤五：第一节管道1尾部通过焊接或内法兰12连接连接第二节管道1头部；

步骤六：启动顶杆41，顶推管卡42，带动第一节管道1进入海中；

步骤七：重复步骤五和步骤六操作，使管道1一个又一个地连续穿越前方管墩2的环形管孔20，不断向前延伸；当管道1头进入较深水域，则用定位引导潜水器3引导管道头进入前方环形管孔20；

步骤八：当第一节管道1头部到达线路另一端岸上后，打开封堵塞101；

步骤九：由海底蛙人或水下机器人通过拧紧可调节螺栓23对滑块22进行紧固，对管道线路水平及高程位置进行精确较准。

本发明的有益效果是：

给出了一种适合海底真空管道铺设、施工的管道结构及施工方法，使管道铺设、施工过程简便、快速、安全，施工费用低，节省海底真空管道建设成本。

本发明的顶推式铺设方法不仅适用于海底真空管道建设与施工，也适用于陆上真空管道建设与施工。当用于陆上真空管道时，因为不存在向上的浮力，所以不需要设置环形管墩，只需下部和侧向支撑与固定；不需要使用定位引导潜水器3，普通车辆和多种设备可容易实现前端引导和定位功能；因为施工铺设过程中中间任何部位都很容易对管道实施顶推助力，所以管道线路起点处的顶推台4及管卡42不需要承担很大推力。

附图说明

图1为海底真空管道交通系统及其铺设方法示意图。

图2为管道1设有内法兰12的示意图。

图3为管墩2及环形管孔20的横断面图。

图4为上部为管箍结构的环形管孔20的横断面图。

图5为上部不连续形式的环形管孔20的横断面图。

图6为顶推器4及焊台5的正视图。

图7为顶推器4及焊台5的俯视图。

图8为靠岸浅海处管道1顶推施工示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，一种海底真空管道交通系统，包括修建在海床上的管墩2，管墩2上架设有管道1，位于海岸上的管道1后端和顶推器4、焊台5配合连接，施工时通过顶推器4逐节顶推已经焊接好的管道1沿设计的线路方向向前延伸铺设；海底真空管道的中部设置有中继顶推站6，管道1穿过中继顶推站6，第一节管道1前端设有定位引导潜水器3，通过定位引导潜水器3确保管道1准确进入预选固定设置在海床上的管墩2的上部架设位置。

所述的管道1为截面为圆形或椭圆形，外部光滑，无外置法兰，管道1的内壁11内设置有用于管道1连接和密封的内法兰12，内法兰12之间通过法兰紧固螺栓121固定，如图2所示；管道1或通过焊接连接各管段，形成无缝管道；海底是恒温环境，管道1的热胀冷缩可以忽略，由于管道1外壁光滑，用顶推法施工过程中，管道1可以顺利通过建设在海底的全部的管墩2，光滑的管道还有助于减弱来自洋流的波浪冲击力。

所述的管墩2建设在海床上，除具有良好的侧向稳定性，以抵抗洋流作用力；还具有良好的抗拔性能，以抵抗海水对管道的浮力。如图3所示，管墩2上部设置环形管孔20，环形管孔20供施工时管道1穿过和后期对管道1进行定位、紧固，环形管孔20周边的孔壁201上分布若干滑块22，滑块22用耐腐蚀、磨擦系数小的材料制作，如聚四氟乙烯等；滑块22通过可调节螺栓23固定在环形管孔20上，孔壁201上设置通孔螺孔，供可调节螺栓23穿过并对滑块22进行调节；滑块22或用可滚动的滑滚代替；在管道铺设结束后，滑块22则作为固定管道的垫块而存在。

所述的环形管孔20是整铸成型，其优点是一次成型、结构简单牢固，制作成本低；环形管孔20上半部设置为半圆形管箍202形式，如图4所示，优点是可组合拼装，方便运营过程中对管道进行大修及拆卸。

所述的环形管孔20及孔壁201整铸成型为整体。

所述的环形管孔20上部设置成不连续形，即为部分环或上部开放形式，如图5所示。

所述的顶推器4包括顶推台43，顶推台43为混凝土建筑物，能够承受较大水平推力，其上有供管道1穿越的圆孔；在顶推台43靠海侧圆孔周围固定有顶杆41，顶杆41为螺杆式或液压式，顶杆41端头连接有顶推管卡42，顶推管卡42沿管道1圆周卡住管道1，并方便松开和拆卸，如图6、图7所示。

所述的焊台5设置在顶推台43陆上一侧，焊台5包括轨道51和焊接承台52，如图6、图7所示；焊接承台52设置在轨道51上，并能够在轨道51上移动；管道1若是内法兰12连接方式，焊台5则承担管道1拼接平台功能。

为增加顶推力，在管道1沿线的人工岛塔内设置中继顶推站6，中继顶推站6内也设有顶推器4和焊台5，功能跟海岸上顶推器4和焊台5功能一样，这种中继顶推站6适合用于内部空间较大的海底人工岛塔，具有大于50m的内部直径，能满足单节管道长度大于20m的管道焊接或拼装；若海底人工岛塔内部空间较小，而单节管道长度较长，这时中继顶推站6只承担中继助力顶推功能，不进行管道焊接或拼装。

参照图8，一种海底真空管道交通系统的顶推式铺设方法，包括以下步骤：

步骤一：运用海底施工技术建设管墩2，管墩2要求其具有足够的稳定性，能抵抗来自洋流作用在管道1及其自身上的横向作用力之和；管墩2能承受海水对管道1的浮力，以及管道1自重及内部荷载之合力，即具有足够的抗拔、抗压强度；管墩2沿海底真空管道线路方向分布，每隔设定距离设置一个，设定距离为50～300m，其高度与真空管道线路水平高程一致，符合相应的精度要求；

步骤二：在线路起点侧离管道入海点不远处的岸上建设顶推台43，安装顶杆41，预备顶推管卡42；同时建设焊台5，即铺设轨道51和安装焊接承台52；

步骤三：用封堵塞101封堵第一节管道1头部，保证气密性良好，不漏水；

步骤四：把第一节管道1穿过圆孔置入顶推台43，用顶推管卡42卡紧第一节管道1，第一节管道1另一端放置在焊接承台52上；

步骤五：第一节管道1尾部通过焊接或内法兰12连接连接第二节管道1头部，抛光焊接表面并作检查，保证无裂纹；若采用内法兰12连接，检查并确保气密性良好；

步骤六：启动顶杆41，顶推管卡42，带动第一节管道1进入海中；管道1在开始时的浅滩和浅水中延伸过程中，头部通过适当的机械设备或船舶进行引导，使其准确穿过前方管墩2的管孔；

步骤七：重复步骤五和步骤六操作，使管道1一个又一个地连续穿越前方管墩2的环形管孔20，不断向前延伸；当管道1头进入较深水域，如水深大于20m时，则用定位引导潜水器3引导管道头进入前方环形管孔20；

因为管道1受到浮力作用，所以每个管墩2上的滑块22或滑滚施加在管道1上的作用力很小，从而相应的磨擦阻力很小；来自所有管墩2的磨擦阻力之和也不会很大，所以能使管道铺设过程中连续延伸的距离很大，大于10km；

当需要跨越的水体、海峡和海域较大，如大于10km时，则在海底人工岛塔处设置中继顶推站6，中继顶推站6内设有顶推台43、顶杆41、顶推管卡42，以及焊台5(或拼接平台)，中继顶推站6是临时设施，管道1铺设施工完成后则予以拆除，或转移到前方中继顶推站6进行工作；

当需要跨越的水体、海峡和海域很大，如距离大于100km时，为加快施工进度，在海中多个海底人工岛塔处设置中继顶推站6，使海底管道铺设早日完工；

若海水对管道1的浮力太大，会导致管墩2受到过大的向上拉力，增加管道1向前顶进的磨擦阻力，这时在管道1内增加配重，以抵消管道1所受海水浮力；

步骤八：当第一节管道1头部到达线路另一端岸上后，打开封堵塞101；同理，进入中继顶推站6的管道1头部的封堵塞101在该人工岛塔内打开即可；

步骤九：由海底蛙人或水下机器人通过拧紧可调节螺栓23对滑块22进行紧固，对管道线路水平及高程位置进行精确较准，管道1铺设完成，进行后续施工与安装工作。

Claims (10)

1.一种海底真空管道交通系统，其特征在于：包括修建在海床上的管墩(2)，管墩(2)上架设有管道(1)，位于海岸上的管道(1)后端和顶推器(4)、焊台(5)配合连接，施工时通过顶推器(4)逐节顶推已经焊接好的管道(1)向前延伸铺设；海底真空管道的中部设置有中继顶推站(6)，管道(1)穿过中继顶推站(6)，中继顶推站(6)设置在人工岛塔内，第一节管道(1)前端设有定位引导潜水器(3)。

2.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的管道(1)为截面为圆形或椭圆形，外部光滑，管道(1)内设置有用于管道(1)连接和密封的内法兰(12)，

3.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的管道(1)通过焊接连接各管段，形成无缝管道。

4.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的管墩(2)上部设置环形管孔(20)，环形管孔(20)周边的孔壁(201)上分布若干滑块(22)，滑块(22)通过可调节螺栓(23)固定在环形管孔(20)上。

5.根据权利要求4所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的环形管孔(20)是整铸成型，环形管孔(20)上半部设置为半圆形管箍(202)形式。

6.根据权利要求4所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的环形管孔(20)上部设置成不连续形，即为部分环或上部开放形式。

7.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的顶推器(4)包括顶推台(43)，顶推台(43)为混凝土建筑物，其上有供管道(1)穿越的圆孔；在顶推台(43)靠海侧圆孔周围固定有顶杆(41)，顶杆(41)为螺杆式或液压式，顶杆(41)端头连接有顶推管卡(42)，顶推管卡(42)沿管道(1)圆周卡住管道(1)。

8.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的焊台(5)设置在顶推台(43)陆上一侧，焊台(5)包括轨道(51)和焊接承台(52)，焊接承台(52)设置在轨道(51)上，并能够在轨道(51)上移动。

9.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统，其特征在于：所述的中继顶推站(6)内也设有顶推器(4)和焊台(5)，这种中继顶推站(6)适合用于内部空间较大的海底人工岛塔，具有大于50m的内部直径，能满足单节管道长度大于20m的管道焊接或拼装。

10.根据权利要求1所述的一种海底真空管道交通系统的顶推式铺设方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：运用海底施工技术建设管墩(2)，管墩(2)沿海底真空管道线路方向分布，每隔设定距离设置一个，设定距离为50～300m，其高度与真空管道线路水平高程一致；

步骤二：在线路起点侧离管道入海点不远处的岸上建设顶推台(43)，安装顶杆(41)，预备顶推管卡(42)；同时建设焊台(5)，即铺设轨道(51)和安装焊接承台(52)；

步骤三：用封堵塞(101)封堵第一节管道(1)头部；

步骤四：把第一节管道(1)穿过圆孔置入顶推台(43)，用顶推管卡(42)卡紧第一节管道(1)，第一节管道(1)另一端放置在焊接承台(52)上；

步骤五：第一节管道(1)尾部通过焊接或内法兰(12)连接连接第二节管道(1)头部；

步骤六：启动顶杆(41)，顶推管卡(42)，带动第一节管道(1)进入海中；

步骤七：重复步骤五和步骤六操作，使管道(1)一个又一个地连续穿越前方管墩(2)的环形管孔(20)，不断向前延伸；当管道(1)头进入较深水域，则用定位引导潜水器(3)引导管道头进入前方环形管孔(20)；

步骤八：当第一节管道(1)头部到达线路另一端岸上后，打开封堵塞(101)；

步骤九：由海底蛙人或水下机器人通过拧紧可调节螺栓(23)对滑块(22)进行紧固，对管道线路水平及高程位置进行精确较准。