CN109610511B - 跨海水中悬浮高铁隧道结构、建造及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种跨海水中悬浮高铁隧道结构、建造及其控制方法，包括能悬浮于水中的管体，管体由多节管节固定连接形成，各个管节内固定有将管节分隔形成上部舱室及下部舱室的钢筋混凝土水平隔板，上部舱室内具有沿管体长度布设的两条密闭隧道，管节外水平方向对称设置有钢筋混凝土鳍板；上部舱室内具有固定于钢筋混凝土水平隔板上的钢质密闭隧道外壳，钢质密闭隧道外壳内置有轨道床，轨道床两侧与钢质密闭隧道外壳之间固连有横向设置的电磁调节装置，轨道床下部两侧与钢筋混凝土隔板间固连有竖向设置的电磁调节装置。本发明解决跨海水中悬浮隧道的设计、建造；隧道的稳定性、耐久性、安全性以及隧道内高铁轨道的精确控制等问题。

Description

跨海水中悬浮高铁隧道结构、建造及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种跨海水中悬浮隧道的构建、控制与使用方法，具体涉及一种跨海水中悬浮高铁隧道结构、建造及其控制方法。

背景技术

建设跨海真空超级高铁的设想由来已久。为实现此目标，首先应构建安全可靠的海洋隧道。

目前，已建海洋隧道形式均为海底隧道。其建设方法有两种：一种是在距海底一定深度的岩层或土层中挖孔建成海底隧道（挖掘法），这种方法建设海底隧道工期长，施工难度高，工程造价大，典型如英法海底隧道；另一种是将分节预制的筒状结构放置于海底表层或浅土层中，做止水连接而形成海底隧道（沉管法），这种隧道因具有施工质量保证、地质水文条件适应性强、施工工期短、工程造价低等特点逐步被采用，典型如港珠澳大桥海底沉管隧道。但是，沉管法海底隧道与挖掘法海底隧道同样需要依附海底土层，隧道的深度受海底深度的影响，海底越深隧道也就越深。受坡度的限制，隧道两岸的引道就要加长，工程造价因此加大。此外，沉管法隧道需要在水中做止水连接，当达到一定深度时，水压过高，防渗漏技术难度增大，甚至受潜水深度的限制而使工程无法实施。因此，从经济效益和技术难度的角度来看，无论沉管法还是挖掘法都不适用于深海水域建造隧道。

由于借助了自然的力量——浮力，水中悬浮隧道具有现有桥梁和隧道所不具备的优势和特点：1、是一种环境友好的方案，对两岸地貌的影响非常小；2、同桥梁、隧道相比具有造价优势，其单位长度的造价不随跨度的增加而增加；3、不受跨度和水深的限制，可建在长跨度、水位深、陡峭的地方。因此，研究水中悬浮隧道具有重要意义，也是跨海高铁的基础工程。

水中悬浮隧道借助于浮力浮于水中，它有三种支撑方式：一、浮筒式结构，当悬浮管道的浮力较小时，利用浮筒增加浮力；二、铆索式，当管道的浮力足够大时，采用铆索固定管道；三、刚性桩柱式，如同水中桥梁。

对于内径约为5.2m的高铁隧道（单线），浮力一般均大于其隧道重力，因此，对于跨海高铁隧道上述支撑方式一几乎不存在；而支撑方式二、三采用铆索或桩柱固定于水底，这对于深海而言，如同前述沉管法，施工几乎不可行，并且还有锚固方式和锚固结构的安全性问题--锚固系统在水流作用下发生涡激振动(VIV)，这对铆索在海床上的固定强度有很大影响。

除上述支撑问题外，水中悬浮隧道的设计与建造还同时存在着海洋工程中遇到的所有问题，突出的有：洋流作用下隧道的稳定性、隧道（材料）的耐久性、结构和人员的安全性。此外，隧道为高铁服务，运营超级高铁所必须的轨道平整度的精确控制问题最为重要。

发明内容

本发明提供一种跨海水中悬浮高铁隧道的结构、建造及其控制方法，解决跨海水中悬浮隧道的设计、建造；隧道的稳定性、耐久性、安全性；隧道内高铁轨道的精确控制等问题。

本发明的具体实施方案是：一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，包括能悬浮于水中的管体，所述管体由多节管节固定连接形成，各个管节内固定有将管节分隔形成上部舱室及下部舱室的钢筋混凝土水平隔板，所述上部舱室内具有沿管体长度布设的两条密闭隧道，所述管节外水平方向对称设置有钢筋混凝土鳍板；所述上部舱室内具有固定于钢筋混凝土水平隔板上的钢质密闭隧道外壳，所述钢质密闭隧道外壳内置有轨道床，所述轨道床两侧与钢质密闭隧道外壳之间固连有横向设置的电磁调节装置，所述轨道床下部两侧与钢筋混凝土隔板间固连有竖向设置的电磁调节装置。

优选的，所述管节由耐腐蚀、高容重的钢渣混凝土浇筑而成，横截面呈圆形，管节的管壁内配有钢筋、嵌有钢板，所述管节内、外表面涂有耐腐蚀层，所述耐腐蚀层为环氧树脂涂层、石油沥青涂层、聚乙烯胶粘带、聚烯烃涂层中的一种或多种层叠形成，管节重量小于管节完全浸置水中时浮力。

优选的，所述管节的端部均延伸有外翻圆环和内翻圆环，外翻圆环及内翻圆环上布设有螺栓孔，相邻管节通过贯穿相邻管节螺栓孔的螺栓固定连接，相邻管节的配合面之间具有内环橡胶止水板及外环橡胶止水板，所述内环橡胶止水板及外环橡胶止水板之间留有间隙，所述内环橡胶止水板内沿圆周方向均匀布设有插入间隙的注浆袖阀管，所述管节端部外侧还对称设有挑耳，相邻管节的挑耳相向端面具有相互配合的凹槽和凸隼，所述相邻管节挑耳贯穿有定位螺栓。

优选的，各个管节的两端面连接有可拆卸钢制封板，所述封板经封板固定螺栓固定于内翻圆环内侧以保证运输时管节内部中空。

优选的，所述钢筋混凝土鳍板包括位于钢筋混凝土鳍板两侧水平设置及钢筋混凝土鳍板外端部竖向设置的电磁推进装置，所述电磁推进装置包括排水管、排水管外周缠绕的由导电材料制作的线圈构成的电磁铁，及在排水管内对侧固定的电极板，电磁铁产生的磁场方向与电极板之间电流方向相互垂直，所述钢筋混凝土鳍板上具有位置传感器。

优选的，所述轨道床两侧与钢质密闭隧道外壳之间固连有横向设置的电磁调节装置，轨道床下部两侧与钢筋混凝土隔板间固连有竖向设置的电磁调节装置，所述钢质密闭隧道起始点设有激光发射器，激光发射至钢质密闭隧道终点，各激光束平行，各电磁调节装置均受独立的激光束控制；

各个电磁调节装置由移动杆、外壳体及电源系统组成；

所述外壳内腔室的一部分储有磁流变体，位于轨道床下部的电磁调节装置其外壳竖直固定于钢筋混凝土水平隔板，位于轨道床两侧的电磁调节装置其外壳水平固定于钢质密闭隧道外壳，所述外壳刚性且不导磁；

所述移动杆由永磁体、隔磁体、插杆组成，所述插杆经隔磁体与永磁体固定连接，所述移动杆的永磁体与轨道床固定连接，移动杆的插杆插入磁流变体中且不与外壳接触，磁流变体顶面高度不超过插杆，所述外壳内具有约束移动杆沿直线移动的导向装置；

所述永磁体所在位置的外壳外部设有第一电源系统，所述第一电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁体用电线，一组磁体用电线与一个光敏电阻、一个直流电源串联组成一个独立回路，两个回路的电流方向相反；

所述磁流变体所在位置的外壳外部具有第二电源系统，所述第二电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁流变用电线，第一组磁流变用电线与本系统第一个直流电源串联组成第一个独立电路回路，第二组磁流变用电线与本系统第二个直流电源以及两个光敏电阻并联成第二个独立电路回路，两个回路的电流方向相反，任一光敏电阻受激光照射，第二组电路即通电；

第二电源系统中，第一组电路回路始终通电使磁流变体固化，插杆固定于磁流变体内，当第二组电路回路通电时，两组电源产生的磁场相互抵消，磁流变体液化，插杆在外壳内的约束解除，移动杆受第一电源系统电磁力作用，即可移动；

所述各电磁调节装置的两个光敏电阻固定于轨道床，当激光发射器的光束照射到一个光敏电阻时，则该光敏电阻所在的第一电源系统以及第二电源系统的第二组电路贯通，对永磁体产生背离激光束方向的电磁力，受电磁力作用，移动杆带动轨道床控制点移动，至轨道床移动到位，激光束不再照射到光敏电阻，第一电源系统和第二电源系统的第二组电路中断，永磁体不再受力，磁流变体固化，移动杆也不再移动。

优选的，所述上部舱室及下部舱室独立设置有照明灯、通风、供电管路、烟雾传感器、喷淋装置及监控等管线，下部舱室经竖向隔板分隔形成检修仓、工具仓及压载仓。

优选的，所述管节内还布设有液氮储存罐及与其相连接的带有控制阀的管路，所述管体内布设有温湿度传感器并与控制电路即控制阀连接，当所述温湿度传感器监测到管节内湿度超过控制阀值，液氮储存罐的控制阀即时开启进行冻结并触发管体报警。

本发明还包括一种如上所述的跨海水中悬浮高铁隧道结构建造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将隧道全长分成若干段，每段包含若干标准管节，在跨海隧道的两端陆地上按设计要求分别预制标准管节，所述管节两侧对称固定连接有与管节一体的钢筋混凝土鳍板，在管节两端内侧固定有暂时封闭各个管节的钢封板，制作好的标准管节自重应略小于其浮力；

（2）将各标准管节两端钢封板用螺栓固定后一一送入近岸水中，利用相邻管节端部外侧挑耳的凹槽和凸隼对接管节并安装定位螺栓，再初步安装相邻标准管节的外翻、内翻圆环间的螺栓形成管节段；

（3）将管节段用拖轮拖至海上，同步骤（2）方式两两对接，形成通长隧道；

（4） 将所有管节螺栓锁紧，拆除用于固定钢封板的临时固定螺栓，拆除钢封板，使各个管节内的隧道贯通；

（5）将管节结合部位钢筋混凝土水平隔板和竖向隔板用混凝土现浇连接成整体；

（6）安装钢质密闭隧道外壳、机电设备、传感器、液氮储存罐装置，安装轨道床下部电磁调节装置、轨道床及其两侧电磁调节装置；

（7）在隧道的压载仓内均匀放置铅块等配重，使隧道各管节总重与其浮力相当；

（8）利用外力或电磁推进装置将隧道缓慢下沉至预定深度；

（9）检查隧道管节间渗、漏水情况，视需要利用注浆袖阀管在管节间进行聚氨酯或其它防水材料注浆堵漏，直至管节间完全不渗漏；

（10）根据北斗导航或GPS导航信息，启动钢筋混凝土鳍板内电磁推进装置，调整隧道轴线方向位置；

（11） 启动高铁轨道床电磁调节装置，调整轨道床平整度至高铁运行要求。

本发明还包括一种利用如上所述跨海水中悬浮高铁隧道结构的控制方法，包括管节稳定性控制和高铁轨道床精准控制，步骤是：

管节稳定性控制：利用管节两侧钢筋混凝土鳍板内设置的电磁推进装置进行管节稳定性控制。在遇到洋流扰动时，向电磁线圈通电后即可在排水管内的海水中形成强磁场，电极板加上电压后，排水管内海水中产生电流，电流与磁场相互作用而产生洛仑兹力，该力作用于载电流的海水而令海水沿排水管的轴向涌动，鳍形板及隧道受海水的反作用力，水平安装的电磁推进装置对排水管内海水产生水平作用力，竖向安装的电磁推进装置对排水管内海水产生竖向作用力，由此平衡洋流水平力和隧道竖向不平衡力。

利用钢筋混凝土鳍板上设置的位置传感器，通过北斗或GPS导航系统，实时反馈位置信息，改变电磁推进装置中电压、电流，实现隧道整体结构控制，控制精度为厘米级。

通过调节电压、电流的大小控制推力大小，通过改变电压的极性，即电流的方向，控制推力的方向，控制时间为毫秒级；

高铁轨道床精准控制：所述永磁体所在位置的外壳外部设有第一电源系统，所述第一电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁体用电线，一组磁体用电线与一个光敏电阻、一个直流电源串联组成一个独立回路，两个回路的电流方向相反；

所述磁流变体所在位置的外壳外部具有第二电源系统，所述第二电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁流变用电线，第一组磁流变用电线与本系统第一个直流电源串联组成第一个独立电路回路，第二组磁流变用电线与本系统第二个直流电源以及两个光敏电阻并联成第二个独立电路回路，两个回路的电流方向相反，任一光敏电阻受激光照射，第二组电路即通电；

第二电源系统中，第一组电路回路始终通电使磁流变体固化，插杆固定于磁流变体内，当第二组电路回路通电时，两组电源产生的磁场相互抵消，磁流变体液化，插杆在外壳内的约束解除，移动杆受第一电源系统电磁力作用，即可移动；

所述各电磁调节装置的两个光敏电阻固定于轨道床，当激光发射器的光束照射到一个光敏电阻时，则该光敏电阻所在的第一电源系统以及第二电源系统的第二组电路贯通，对永磁体产生背离激光束方向的电磁力，受电磁力作用，移动杆带动轨道床控制点移动，至轨道床移动到位，激光束不再照射到光敏电阻，第一电源系统和第二电源系统的第二组电路中断，永磁体不再受力，磁流变体固化，移动杆也不再移动，轨道床的控制精度能达到0.1mm，控制时间能达到毫秒级，激光束可视需要随时或定时发射，各个电磁调节装置均受独立的激光束控制，且各电磁调节装置一起动作调节轨道床。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、 本发明采用的悬浮隧道借助了水的浮力，具有现有桥梁和隧道所不具备的优势和特点：（1）是一种环境友好的方案，对两岸地貌的影响非常小；（2）同桥梁、隧道相比具有造价优势，其单位长度的造价不随跨度的增加而增加；（3）不受跨度和水深的限制，可建在长跨度、水位深、陡峭的地方。

2、 本发明通过利用海水的浮力平衡组成隧道的管节以及其中固定设备的重力，管节外水平方向对称设置装有电磁驱动稳定装置的鳍形稳定板，鳍板最有效地提高了隧道抗转动抗波动能力，起到稳定作用；在北斗导航（或GPS）系统定位下自动控制鳍形稳定板上的电磁驱动装置，以此对抗洋流的作用，初步保证管节的水平位置和稳定。

3、 本发明在管节内设置高铁遂道，遂道内的高铁轨道床由位移传感器、激光定位仪、磁流变自动控制设备等精确控制，确保高铁轨道的精准。将管节分仓、高铁遂道独立设置，仓室间和高铁隧道间设联络通道，以此提高管节安全度。

4、 另外，在每管节上、下仓室设液氮储存罐及传感器，在感应到仓室进水时，释放液氮，迅疾冻结侵入仓室的海水，实现风险只发生在问题管节，确保安全。

附图说明

图1为本发明隧道（管节）横剖视图；

图2为本发明管节结合部位纵向剖视图；

图3为本发明隧道（管节）顶视图；

图4为本发明钢筋混凝土鳍板横剖视图；

图5为本发明电磁控制排水管纵向剖视图；

图6为本发明电磁控制排水管横剖视图；

图7为本发明高铁密闭隧道横剖视图；

图8为本发明电磁控制装置剖视图（位于轨道床下部）；

图9为本发明电磁控制装置剖视图（位于轨道床右侧）。

其中：1、管节 11、钢筋混凝土水平隔板 12、钢筋混凝土竖向隔板 13、钢管 14、密封检修仓 15、工具仓、材料仓、配重仓 16、上部舱室 17、消防、电信等管道 18、液氮存储罐19、通风管；

2、钢封板 21、管内永久螺栓 22、钢封板固定螺栓 23、橡胶止水板 24、挑耳 25、管外永久螺栓 26、管外安装定位螺栓 27、注浆袖阀管；

3、钢筋混凝土鳍板 31、位置传感器 32、检修通道、机电设备仓 ；

4、排水管、41、鞍形电磁铁 42、电极板；

5、高铁密闭隧道 51、钢质密封隧道外壳 52、钢管联络通道 53、轨道床 54、紧固件 55、橡胶垫；

6、电磁调节装置（竖向设置） 6A、电磁调节装置（水平设置） 61、第一组磁体用电线 61A、第二组磁体用电线 62、第一组磁流变用电线 62A、第二组磁流变用电线63、永磁体64、隔磁体 65、插杆 66、磁流变体 67、外壳 68、移动杆 69、导向架。

7、光电控制装置、7A、光电控制装置、71、光敏电阻A、72、光敏电阻B 。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1～9所示，一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，包括能悬浮于水中的管体，所述管体由多节管节1固定连接形成，各个管节1内固定有将管节分隔形成上部舱室16及下部舱室的钢筋混凝土水平隔板11，所述上部舱室内具有沿管体长度布设的两条高铁密闭隧道5，所述高铁密闭隧道5内设置有高铁轨道床53，所述管节1外水平方向对称设置有钢筋混凝土鳍板3。

本实施例中，所述的两条高铁密闭隧道5由所述上部舱室内固定于钢筋混凝土水平隔板上的钢质密闭隧道外壳51围合而成，所述钢质密闭隧道外壳51内置有轨道床53，所述轨道床53两侧与钢质密闭隧道外壳51之间固连有横向设置的电磁调节装置6A，所述轨道床下部两侧与钢筋混凝土隔板间固连有竖向设置的电磁调节装置6。

本实施例中，本实施例中钢质密闭隧道外壳两端延伸有水平固定板，水平固定板经纵向贯穿的紧固件54固定于钢筋混凝土水平隔板11上，水平固定板与钢筋混凝土水平隔板11之间还具有橡胶垫55保证内部的密封。

本实施例中，所述管节1由耐腐蚀、高容重的钢渣混凝土浇筑而成，横截面呈圆形，管节的管壁内配有钢筋、嵌有钢管13，所述管内、外表面涂有耐腐蚀层，所述耐腐蚀层为环氧树脂涂层、石油沥青涂层、聚乙烯胶粘带、聚烯烃涂层中的一种或多种层叠形成，管节重量略小于管节完全浸置水中时浮力。

管节的端部均延伸有外翻圆环和内翻圆环，外翻圆环及内翻圆环上均匀对称布设有螺栓孔，相邻管节通过贯穿相邻管节螺栓孔的螺栓固定连接。

本实施例中，相邻管节上的外两排螺栓孔一一对应并能够通过贯穿相邻管节螺栓孔的螺栓固定连接，其中外翻圆环为单排螺栓孔，内翻圆环为双排螺栓孔，位于管节外侧双排孔分别用螺栓实现用于管节间永久固定，本实施例中，外翻圆环对应通过管外永久螺栓25固定连接，内翻圆环通过管内永久螺栓21固定，内翻圆环上还具有通过钢封板固定螺栓22固定的钢封板2，通过该钢封板2能够在运输过程中保证管节1内腔封闭，待多节管节相互连接后拆除钢封板固定螺栓22即可实现钢封板2的拆除，进而在隧道内铺设相关设施和道路。具体所需螺栓数量可经设计计算确定。

本实施例中，相邻所述管节的配合面之间具有橡胶止水板23，所述橡胶止水板包括内环橡胶止水板及外环橡胶止水板，所述内环橡胶止水板及外环橡胶止水板之间留有间隙，所述内环橡胶止水板内沿圆周方向均匀布设有插入间隙的注浆袖阀管27，注浆袖阀管27可以在管节间进行聚氨酯或其它防水材料注浆堵漏，直至管节间完全不渗漏。

为了能够是相邻管节更容易对准安装，所述管节端部外侧还对称设有采用钢筋混凝土制造的挑耳24，相邻管节的挑耳相向端面具有相互配合的凹槽和凸隼，所述相邻管节挑耳贯穿有管外安装定位螺栓26。

本实施例中，所述钢筋混凝土鳍板3包括位于钢筋混凝土鳍板3两侧水平设置的电磁推进装置4A及钢筋混凝土鳍板外端部竖向设置的电磁推进装置6，所述电磁推进装置包括排水管4、排水管4外周缠绕的由导电材料制作的线圈构成的电磁铁41，及在排水管内对侧固定的电极板42，电磁铁产生的磁场方向与电极板之间电流方向相互垂直，所述钢筋混凝土鳍板上具有位置传感器31。

本实施例中，钢筋混凝土鳍板3的材料与管节结构类似，均是内部具有钢筋及钢板，混凝土现浇而成，钢筋混凝土鳍板3内的钢筋或钢板与管节内的钢板可以焊接或一体成型，保证钢筋混凝土鳍板3与管节为一体结构。

工作时，电磁线圈通电后即在排水管内的海水中形成强磁场，电极板加上电压后，排水管内海水中产生电流，电流与磁场相互作用而产生洛仑兹力，该力作用于载电流的海水而令海水沿排水管的轴向涌动，鳍形板及隧道受海水的反作用力，水平安装的电磁推进装置产生对排水管内海水的水平作用力，竖向安装的电磁推进装置对排水管内海水产生竖向作用力，由此平衡洋流水平力和隧道竖向不平衡力。

本实施例中，通过钢筋混凝土鳍板3利用电磁推进方式实现海水在排水管内导流从而有效地提高了管体抗波动能力，在北斗导航（或GPS）系统定位下自动控制鳍形稳定板上的电磁驱动装置，初步保证管节的水平位置和稳定。

所述上部舱室16内安装消防、电信等管道17、通风管道19，并放置有液氮存储罐18；下部舱室内具有固定于钢筋混凝土水平隔板11上的钢质密封外壳52，钢质密封外壳52内设置有轨道床53，而钢筋混凝土水平隔板11下方具有检修通道、机电设备仓32；

本实施例中，所述的高铁为常规高铁，实际设计中可视高铁运行速度需求，为减小风阻而采用真空隧道，所述钢质密封外壳52可联通抽真空设备实现高铁密闭隧道内真空。

所述管节内还布设有液氮储存罐18及与其相连接的带有控制阀的管路，所述管体内布设有温湿度传感器并与控制电路即控制阀连接，当所述温湿度传感器监测到管节内湿度超过控制阀值，液氮储存罐18的控制阀即时开启进行冻结并触发管体报警。

本实施例中，所述高铁密闭隧道5起始点设有激光发射器，激光发射至隧道5的终点，各激光束平行，各电磁调节装置均受独立的激光束控制；

各个电磁调节装置由移动杆68、外壳67及电源系统组成；

所述外壳内腔室的一部分储有磁流变体66，所述位于轨道床下部设置的电磁调节装置6中外壳竖直固定于钢筋混凝土水平隔板，而位于轨道床两侧的电磁调节装置6A的外壳水平固定于钢质密闭隧道外壳51，所述外壳能保证达到受力要求的刚性且不导磁；

所述移动杆68由永磁体63、隔磁体64、插杆65组成，所述插杆65经隔磁体与永磁体固定连接，插杆65一端插入外壳内且不与外壳底面接触，所述永磁体与轨道床固定连接，磁流变体顶面高度不超过插杆，避免永磁体接触磁流变体造成磁流变体形态改变，所述移动杆68的外部具有固定于钢质密闭隧道外壳或钢筋混凝土水平隔板的外壳67，所述外壳内具有约束移动杆68沿直线移动的导向装置；

所述的导向装置可以是与移动杆接触的导杆或是采用导向轮结构。

所述永磁体所在位置的外壳外部设有第一电源系统，所述第一电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁体用电线，一组磁体用电线与一个光敏电阻、一个直流电源串联组成一个独立回路，两个回路的电流方向相反；

本实施例中，所述永磁体63所在位置的外壳外部的第一电源系统，其中一个电线61与光敏电阻A71连接、另一个电线61A与光敏电阻B72连接，每个电路各串联一个独立的直流电源，两个直流电源的电流方向相反；

所述磁流变体所在位置的外壳外部具有第二电源系统，所述第二电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳外部的磁流变用电线及独立的两个电源，第一组磁流变用电线与本系统第一个直流电源串联组成第一个独立电路回路，第二组磁流变用电线与本系统第二个直流电源以及两个光敏电阻并联成第二个独立电路回路，两个回路的电流方向相反，任一光敏电阻受激光照射，第二组电路即通电；

本实施例中，所述磁流变体所在位置的外壳缠绕有第一组磁流变用电线62及第二组磁流变用电线62A，第二组磁流变用电线62A单独与第二电源系统的第一个电源连接构成第一个独立电路回路，第一组磁流变用电线62与两个光敏电阻及第二电源系统的第二个电源构成第二个独立电路回路，第二个独立电路回路中的两个光敏电阻并联；

第二电源系统中，第二组磁流变用电线62A及本系统第一个直流电源组成的回路始终通电使磁流变体固化，插杆固定于磁流变体内，当第一组磁流变用电线62与本系统第二个直流电源组成的回路通电时，两组电源产生的磁场相互抵消，磁流变体液化，插杆在外壳内的约束解除，移动杆受第一电源系统电磁力作用，即可移动；

本实施例中，所述各电磁调节装置的两个光敏电阻（光敏电阻A71及光敏电阻B72）固定于轨道床，当激光发射器的光束照射到一个光敏电阻时，则该光敏电阻所在的第一电源系统以及第二电源系统的第二组电路贯通，对永磁体产生背离激光束方向的电磁力，受电磁力作用，移动杆带动轨道床控制点移动，至轨道床移动到位，激光束不再照射到光敏电阻，第一电源系统和第二电源系统的第二组电路中断，永磁体不再受力，磁流变体固化，移动杆也不再移动。

如图9所示，相比于图8竖向的外壳，本实施例中，横置的电磁调节装置6A中插杆65呈拐状，横置的电磁调节装置6A中外壳具有竖向用于盛放磁流变体的杯体以避免磁流变体液化时溢出，另外实际设计中也可以采用半封闭的方法控制磁流变体液化时溢出。

另外，所述移动杆68的外部具有固定于外壳内的导向架69，导向架69用于限位移动杆，从而保证移动杆68在移动的过程中沿直线移动。

上述一种跨海水中悬浮隧道结构的建造方法，包括以下步骤：

（1） 将隧道全长分成若干段，每段包含若干标准管节，在跨海隧道的两端陆地上按设计要求分别预制标准管节，所述管节两侧对称固定连接有与管节一体的钢筋混凝土鳍板，在管节两端内侧固定有暂时封闭各个管节的钢封板，制作好的标准管节自重应略小于其浮力；

（2）将各标准管节两端钢封板用螺栓固定后一一送入近岸水中，利用相邻管节端部外侧挑耳的凹槽和凸隼对接管节并安装定位螺栓，再初步安装相邻标准管节的外翻、内翻圆环间的螺栓形成管节段；

（3）将管节段用拖轮拖至海上，同步骤（2）方式两两对接，形成通长隧道；

（4） 将所有管节螺栓锁紧，拆除用于固定钢封板的临时固定螺栓，拆除钢封板，使各个管节内的隧道贯通；

（5）将管节结合部位钢筋混凝土水平隔板和竖向隔板用混凝土现浇连接成整体；

（6）安装钢质密闭隧道外壳、机电设备、传感器、液氮储存罐装置，安装轨道床下部电磁调节装置、轨道床及其两侧电磁调节装置；

（7）在隧道的压载仓内均匀放置铅块等配重，使隧道各管节总重与其浮力相当；

（8）利用外力或电磁推进装置将隧道缓慢下沉至预定深度；

（9）检查隧道管节间渗、漏水情况，视需要利用注浆袖阀管在管节间进行聚氨酯或其它防水材料注浆堵漏，直至管节间完全不渗漏；

（10）根据北斗导航或GPS导航信息，启动钢筋混凝土鳍板内电磁推进装置，调整隧道轴线方向位置；

（11）启动高铁轨道床电磁调节装置，调整轨道床平整度至高铁运行要求。

此外，本法还包括利用上述一种跨海水中悬浮隧道结构的控制方法，包括管节稳定性控制和轨道精准控制，步骤是：

管节稳定性控制：利用管节两侧钢筋混凝土鳍板内设置的电磁推进装置进行管节稳定性控制。在遇到洋流扰动时，向电磁线圈通电后即可在排水管内的海水中形成强磁场，电极板加上电压后，排水管内海水中产生电流，电流与磁场相互作用而产生洛仑兹力，该力作用于载电流的海水而令海水沿排水管的轴向涌动，鳍形板及隧道受海水的反作用力，水平安装的电磁推进装置对排水管内海水产生水平作用力，竖向安装的电磁推进装置对排水管内海水产生竖向作用力，由此平衡洋流水平力和隧道竖向不平衡力。

利用钢筋混凝土鳍板上设置的位置传感器，通过北斗或GPS导航系统，实时反馈位置信息，改变电磁推进装置中电压、电流，实现隧道整体结构控制，控制精度为厘米级。

通过调节电压、电流的大小控制推力大小，通过改变电压的极性，即电流的方向，控制推力的方向，控制时间为毫秒级；

高铁轨道床精准控制：所述永磁体所在位置的外壳外部设有第一电源系统，所述第一电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁体用电线，一组磁体用电线与一个光敏电阻、一个直流电源串联组成一个独立回路，两个回路的电流方向相反；

所述磁流变体所在位置的外壳外部具有第二电源系统，所述第二电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁流变用电线，第一组磁流变用电线与本系统第一个直流电源串联组成第一个独立电路回路，第二组磁流变用电线与本系统第二个直流电源以及两个光敏电阻并联成第二个独立电路回路，两个回路的电流方向相反，任一光敏电阻受激光照射，第二组电路即通电；

第二电源系统中，第一组电路回路始终通电使磁流变体固化，插杆固定于磁流变体内，当第二组电路回路通电时，两组电源产生的磁场相互抵消，磁流变体液化，插杆在外壳内的约束解除，移动杆受第一电源系统电磁力作用，即可移动；

所述各电磁调节装置的两个光敏电阻固定于轨道床，当激光发射器的光束照射到一个光敏电阻时，则该光敏电阻所在的第一电源系统以及第二电源系统的第二组电路贯通，对永磁体产生背离激光束方向的电磁力，受电磁力作用，移动杆带动轨道床控制点移动，至轨道床移动到位，激光束不再照射到光敏电阻，第一电源系统和第二电源系统的第二组电路中断，永磁体不再受力，磁流变体固化，移动杆也不再移动，轨道床的控制精度能达到0.1mm，控制时间能达到毫秒级，激光束可视需要随时或定时发射，各个电磁调节装置均受独立的激光束控制，且各电磁调节装置一起动作调节轨道床。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别，如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，包括能悬浮于水中的管体，所述管体由多节管节固定连接形成，各个管节内固定有将管节分隔形成上部舱室及下部舱室的钢筋混凝土水平隔板，所述上部舱室内具有沿管体长度布设的两条密闭隧道，所述管节外水平方向对称设置有钢筋混凝土鳍板；所述上部舱室内具有固定于钢筋混凝土水平隔板上的钢质密闭隧道外壳，所述钢质密闭隧道外壳内置有轨道床，所述轨道床两侧与钢质密闭隧道外壳之间固连有横向设置的电磁调节装置，所述轨道床下部两侧与钢筋混凝土隔板间固连有竖向设置的电磁调节装置。

2.根据权利要求1所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，所述管节由耐腐蚀、高容重的钢渣混凝土浇筑而成，横截面呈圆形，管节的管壁内配有钢筋、嵌有钢板，所述管节内、外表面涂有耐腐蚀层，所述耐腐蚀层为环氧树脂涂层、石油沥青涂层、聚乙烯胶粘带、聚烯烃涂层中的一种或多种层叠形成，管节重量小于管节完全浸置水中时浮力。

3.根据权利要求1所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，所述管节的端部均延伸有外翻圆环和内翻圆环，外翻圆环及内翻圆环上布设有螺栓孔，相邻管节通过贯穿相邻管节螺栓孔的螺栓固定连接，相邻管节的配合面之间具有内环橡胶止水板及外环橡胶止水板，所述内环橡胶止水板及外环橡胶止水板之间留有间隙，所述内环橡胶止水板内沿圆周方向均匀布设有插入间隙的注浆袖阀管，所述管节端部外侧还对称设有挑耳，相邻管节的挑耳相向端面具有相互配合的凹槽和凸隼，所述相邻管节挑耳贯穿有定位螺栓。

4.根据权利要求1所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，各个管节的两端面连接有可拆卸钢制封板，所述封板经封板固定螺栓固定于内翻圆环内侧以保证运输时管节内部中空。

5.根据权利要求1所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，所述钢筋混凝土鳍板包括位于钢筋混凝土鳍板两侧水平设置及钢筋混凝土鳍板外端部竖向设置的电磁推进装置，所述电磁推进装置包括排水管、排水管外周缠绕的由导电材料制作的线圈构成的电磁铁，及在排水管内对侧固定的电极板，电磁铁产生的磁场方向与电极板之间电流方向相互垂直，所述钢筋混凝土鳍板上具有位置传感器。

6.根据权利要求5所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，所述轨道床两侧与钢质密闭隧道外壳之间固连有横向设置的电磁调节装置，轨道床下部两侧与钢筋混凝土隔板间固连有竖向设置的电磁调节装置，所述钢质密闭隧道起始点设有激光发射器，激光发射至钢质密闭隧道终点，各激光束平行，各电磁调节装置均受独立的激光束控制；

各个电磁调节装置由移动杆、外壳体及电源系统组成；

所述外壳内腔室的一部分储有磁流变体，位于轨道床下部的电磁调节装置其外壳竖直固定于钢筋混凝土水平隔板，位于轨道床两侧的电磁调节装置其外壳水平固定于钢质密闭隧道外壳，所述外壳刚性且不导磁；

所述移动杆由永磁体、隔磁体、插杆组成，所述插杆经隔磁体与永磁体固定连接，所述移动杆的永磁体与轨道床固定连接，移动杆的插杆插入磁流变体中且不与外壳接触，磁流变体顶面高度不超过插杆，所述外壳内具有约束移动杆沿直线移动的导向装置；

所述永磁体所在位置的外壳外部设有第一电源系统，所述第一电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁体用电线，一组磁体用电线与一个光敏电阻、一个直流电源串联组成一个独立回路，两个回路的电流方向相反；

所述磁流变体所在位置的外壳外部具有第二电源系统，所述第二电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁流变用电线，第一组磁流变用电线与本系统第一个直流电源串联组成第一个独立电路回路，第二组磁流变用电线与本系统第二个直流电源以及两个光敏电阻并联成第二个独立电路回路，两个回路的电流方向相反，任一光敏电阻受激光照射，第二组电路即通电；

第二电源系统中，第一组电路回路始终通电使磁流变体固化，插杆固定于磁流变体内，当第二组电路回路通电时，两组电源产生的磁场相互抵消，磁流变体液化，插杆在外壳内的约束解除，移动杆受第一电源系统电磁力作用，即可移动；

所述各电磁调节装置的两个光敏电阻固定于轨道床，当激光发射器的光束照射到一个光敏电阻时，则该光敏电阻所在的第一电源系统以及第二电源系统的第二组电路贯通，对永磁体产生背离激光束方向的电磁力，受电磁力作用，移动杆带动轨道床控制点移动，至轨道床移动到位，激光束不再照射到光敏电阻，第一电源系统和第二电源系统的第二组电路中断，永磁体不再受力，磁流变体固化，移动杆也不再移动。

7.根据权利要求1所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，所述上部舱室及下部舱室独立设置有照明灯、通风、供电管路、烟雾传感器、喷淋装置及监控管线，下部舱室经竖向隔板分隔形成检修仓、工具仓及压载仓。

8.根据权利要求1所述的一种跨海水中悬浮高铁隧道结构，其特征在于，所述管节内还布设有液氮储存罐及与其相连接的带有控制阀的管路，所述管体内布设有温湿度传感器并与控制电路即控制阀连接，当所述温湿度传感器监测到管节内湿度超过控制阀值，液氮储存罐的控制阀即时开启进行冻结并触发管体报警。

9.一种如权利要求1所述的跨海水中悬浮高铁隧道结构建造方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将隧道全长分成若干段，每段包含若干标准管节，在跨海隧道的两端陆地上按设计要求分别预制标准管节，所述管节两侧对称固定连接有与管节一体的钢筋混凝土鳍板，在管节两端内侧固定有暂时封闭各个管节的钢封板，制作好的标准管节自重应略小于其浮力；

（2）将各标准管节两端钢封板用螺栓固定后一一送入近岸水中，利用相邻管节端部外侧挑耳的凹槽和凸隼对接管节并安装定位螺栓，再初步安装相邻标准管节的外翻、内翻圆环间的螺栓形成管节段；

（3）将管节段用拖轮拖至海上，同步骤（2）方式两两对接，形成通长隧道；

（4）将所有管节螺栓锁紧，拆除用于固定钢封板的临时固定螺栓，拆除钢封板，使各个管节内的隧道贯通；

（5）将管节结合部位钢筋混凝土水平隔板和竖向隔板用混凝土现浇连接成整体；

（6）安装钢质密闭隧道外壳、机电设备、传感器、液氮储存罐装置，安装轨道床下部电磁调节装置、轨道床及其两侧电磁调节装置；

（7）在隧道的压载仓内均匀放置铅块配重，使隧道各管节总重与其浮力相当；

（8）利用外力或电磁推进装置将隧道缓慢下沉至预定深度；

（9）检查隧道管节间渗、漏水情况，视需要利用注浆袖阀管在管节间进行聚氨酯或其它防水材料注浆堵漏，直至管节间完全不渗漏；

（10）根据北斗导航或GPS导航信息，启动钢筋混凝土鳍板内电磁推进装置，调整隧道轴线方向位置；

（11）启动高铁轨道床电磁调节装置，调整轨道床平整度至高铁运行要求。

10.一种利用如权利要求6所述跨海水中悬浮高铁隧道结构的控制方法，其特征在于，包括管节稳定性控制和高铁轨道床精准控制，步骤是：

管节稳定性控制：利用管节两侧钢筋混凝土鳍板内设置的电磁推进装置进行管节稳定性控制；

在遇到洋流扰动时，向电磁线圈通电后即可在排水管内的海水中形成强磁场，电极板加上电压后，排水管内海水中产生电流，电流与磁场相互作用而产生洛仑兹力，该力作用于载电流的海水而令海水沿排水管的轴向涌动，鳍形板及隧道受海水的反作用力，水平安装的电磁推进装置对排水管内海水产生水平作用力，竖向安装的电磁推进装置对排水管内海水产生竖向作用力，由此平衡洋流水平力和隧道竖向不平衡力；

利用钢筋混凝土鳍板上设置的位置传感器，通过北斗或GPS导航系统，实时反馈位置信息，改变电磁推进装置中电压、电流，实现隧道整体结构控制，控制精度为厘米级；

通过调节电压、电流的大小控制推力大小，通过改变电压的极性，即电流的方向，控制推力的方向，控制时间为毫秒级；

高铁轨道床精准控制：所述永磁体所在位置的外壳外部设有第一电源系统，所述第一电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁体用电线，一组磁体用电线与一个光敏电阻、一个直流电源串联组成一个独立回路，两个回路的电流方向相反；

所述磁流变体所在位置的外壳外部具有第二电源系统，所述第二电源系统包括两组同样的缠绕于该位置外壳的磁流变用电线，第一组磁流变用电线与本系统第一个直流电源串联组成第一个独立电路回路，第二组磁流变用电线与本系统第二个直流电源以及两个光敏电阻并联成第二个独立电路回路，两个回路的电流方向相反，任一光敏电阻受激光照射，第二组电路即通电；

第二电源系统中，第一组电路回路始终通电使磁流变体固化，插杆固定于磁流变体内，当第二组电路回路通电时，两组电源产生的磁场相互抵消，磁流变体液化，插杆在外壳内的约束解除，移动杆受第一电源系统电磁力作用，即可移动；

所述各电磁调节装置的两个光敏电阻固定于轨道床，当激光发射器的光束照射到一个光敏电阻时，则该光敏电阻所在的第一电源系统以及第二电源系统的第二组电路贯通，对永磁体产生背离激光束方向的电磁力，受电磁力作用，移动杆带动轨道床控制点移动，至轨道床移动到位，激光束不再照射到光敏电阻，第一电源系统和第二电源系统的第二组电路中断，永磁体不再受力，磁流变体固化，移动杆也不再移动，轨道床的控制精度能达到0.1mm，控制时间能达到毫秒级，激光束可视需要随时或定时发射，各个电磁调节装置均受独立的激光束控制，且各电磁调节装置一起动作调节轨道床。