CN111502725B - 一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，设在沿海底掘进隧道的轴线方向间隔设置的中间井人工岛上；每座中间井人工岛的平面呈带缺口的椭圆形，并分为岛内部分与岛外部分；岛内部分的断面结构包括下部的岛基和上部的直立式岛体；岛基由多层回填砂构筑而成，每层回填砂采用在超大型混凝土浮箱下潜形成的围堰中构筑，岛基的外形呈金字塔形；岛体由岛壁和岛内体构成；岛壁由钢筒式格体和其内部的密实填料共同构成；岛内体为填筑在岛壁内的回填砂；岛外部分位于中间井人工岛的逆流端并布置材料码头、防波堤与港池；中间井设在岛内部分并为井筒式钢筋混凝土结构且设在深基坑围护结构内。本发明能避免中间井直接承受深远海风、浪、流的冲击。

Description

一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构

技术领域

本发明涉及一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构。

背景技术

海底隧道是修建于海、洋下的供汽车和火车运输行驶的通道，它为铁路、公路、地下铁道以及各种市政公用或专用管线提供穿越水域的通道。海底隧道一般分海底表层和海底地层之下两种类型，建筑方法也不相同。位于海底表层的隧道一般为沉管隧道，位于海底地层之下的隧道一般为海底掘进隧道。顾名思义，海底掘进隧道是一种在海底地层中逐步开挖建造的隧道。根据开挖掘进方式的不同，一般有矿山法隧道和盾构法隧道。

海底掘进隧道可以穿越不同的水域，如河流、峡湾、海峡、湖泊等，对那些由于考虑深水或两岸距离太大而认为不可跨越的地方提供了可能和可以接受的固定跨越结构形式。海底掘进隧道修建在海床下一定深度，相比于水面敞开式通道和轮渡运输，恶劣的风浪、雾、雨、雪等天气不会对海底掘进隧道的全天候运营带来影响。海底掘进隧道的修建过程和投入使用对环境和自然景观的影响相对很小。但由于掘进隧道相对很深，施工时承受很大的海水压力和海床下土压力，施工难度与安全风险很大，因而掘进隧道的单位造价相对较高。

一般长度大于3km的公路隧道、大于10km的铁路隧道即称为特长隧道，由于海洋的宽广，海底掘进隧道长度通常远大于10km，因此属于特长隧道。建设特长海底掘进隧道面临的最大问题是通风与救援。迄今为止唯一的解决方法是设置中间井，以满足超远距离密闭空间的通风与交通舒适度要求。对于深远海海底掘进隧道而言，中间井伫立海床之上，海床下嵌固点以上孤悬的井壁长度很长，在海上风、浪、流的水平作用力下，中间井的稳定性受到很大影响，同时，因水流受阻产生的急振涡流与其造成的海床冲刷等也会对中间井的稳定性产生很大影响，因而如何保证深远海中间井的结构稳定是必须考虑的首要问题。

同时，由于海底隧道很深，中间井的底部比隧道底部还要深，中间井必须在超深基坑围护结构内进行干施工。在深远海恶劣的风浪条件下，地连墙、咬合灌注桩等常用的基坑围护结构无法直接在深水中施工，必须首先设置水中围堰，在深远海的施工条件下，按照当前的施工装备能力，围堰的形成也是很大的施工难题。因此，海底掘进隧道的中间井施工难度极大，安全风险也很大。

发明内容

本发明的目的在于填补现有技术的空白而提供一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，它能避免中间井直接承受深远海风、浪、流的冲击，并避免了中间井直接因为急振涡流产生海床冲刷使其水平稳定性减弱的风险。

本发明的目的是这样实现的：一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，设在沿海底掘进隧道的轴线方向间隔设置的中间井人工岛上；每座中间井人工岛的平面呈带缺口的椭圆形，并分为岛内部分与岛外部分；其中，

所述岛内部分设置海底掘进隧道的中间井；

所述岛内部分的断面结构包括下部的岛基和上部的直立式岛体；

所述岛基由多层回填砂构筑而成，每层回填砂采用在超大型混凝土浮箱下潜形成的围堰中构筑，且每层围堰的外围尺寸按1：1～1：1.5的坡度向上逐渐减小，使岛基的外形呈金字塔形；

所述岛体由岛壁和岛内体构成；所述岛壁由钢筒式格体和其内部的密实填料共同构成，钢筒式格体由钢质大圆筒主格与直腹式钢板桩副格相互连接而成，钢质大圆筒主格内和直腹式钢板桩副格内的密实填料为回填砂；钢质大圆筒主格和直腹式钢板桩副格内距顶部1m范围内采用碎石垫层与块石垫层护面；所述岛内体为填筑在岛壁内的回填砂；

所述岛外部分位于中间井人工岛的逆流端并布置材料码头、防波堤与港池，所述材料码头利用岛内部分的岛壁作为基础结构，上部浇筑钢筋混凝土胸墙，并配置码头附属设施；

所述防波堤的断面结构由下部的箱式堤基和上部的直立式堤身构成；所述箱式堤基的断面结构与所述岛基的断面结构相同；所述直立式堤身的结构与所述岛壁的结构相同；

所述港池为防波堤后沿至材料码头前沿之间的水域，所述材料码头与防波堤之间的缺口为港池口门。

所述中间井为井筒式钢筋混凝土结构，且设在深基坑围护结构内，该深基坑围护结构是由钻孔灌注桩作为挡土墙再加搅拌桩或高压悬喷桩止水帷幕；中间井的内部设置水泵房和垂直电梯；中间井的顶部设置钢结构雨棚。

上述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其中，每层回填砂的高度不大于10m。

上述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其中，所述浮箱的高度不低于一层回填砂的高度，浮箱内设置纵断墙和竖向隔墙。

上述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其特征在于，所述钢质大圆筒主格的直径为28m～30m，钢质大圆筒主格的净间距为14m～15m；所述直腹式钢板桩副格的圆弧半径小于钢质大圆筒主格的半径，长度小于钢质大圆筒主格的长度。

上述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其中，所述岛内部分还设置以及施工期用的混凝土搅拌站、钢筋加工间和办公及生活楼。

上述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其中，所述中间井的底部还采用微型桩加固地基。

上述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其中，所述中间井的底标高低于海底掘进隧道底高程1m，中间井的顶标高高于岛内体的地面标高1m。

本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构具有以下特点：

1)本发明的中间井有效解决了特长海底隧道通风与救援的难题，隧道营运期中间井人工岛上设置的直升机停机坪为外海救援提供了一条快捷路径；

2)本发明的中间井坐落于中间井人工岛内，使中间井的海上稳定性大大提高；

3)本发明的中间井人工岛成为隧道中间井的保护外壳，避免了中间井直接承受深远海风、浪、流的冲击，并避免了中间井直接因为急振涡流产生海床冲刷使其水平稳定性减弱的风险；

4)本发明的中间井人工岛消除了深远海海底掘进隧道中间井受来往船舶撞击的风险；

5)本发明的中间井人工岛使得隧道中间井由水上施工变为陆域施工，难度大大降低，而中间井人工岛可以分层构筑，减小因水太深造成的施工难度；

6)本发明的中间井位于中间井人工岛内，井顶标高略高于人工岛岛内地坪标高，远低于海面，使得中间井围护结构深度大为降低，深基坑工程施工难度大大减小；

7)本发明的中间井人工岛为孤悬外海的隧道结构施工提供了材料供应基地与海上稳固的施工平台，施工期安全风险大为降低；

8)本发明的中间井人工岛外侧另建临时码头与港池等港作配套工程，在跨海隧道营运期，港作配套工程可用于海上船舶避风与补给。

附图说明

图1是本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井的纵向布置图；

图2是本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井的平面布置图；

图3是本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构中的中间井人工岛的断面图；

图4是本发明的中间井人工岛的岛壁的平面图；

图5是本发明的中间井人工岛的防波堤的断面图；

图6是本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井的横断面图；

图7是本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井的纵断面图；

图8是本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井中的深基坑围护结构的平面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图8，本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，设在沿海底掘进隧道1的轴线方向间隔设置的中间井人工岛2上。

鉴于海中人工岛的施工难度，每座中间井人工岛2宜设在水深为40m～100m的水域；每座中间井人工岛2的平面呈带缺口的椭圆形，并分为岛内部分与岛外部分。

岛内部分的断面结构包括下部的岛基10和上部的岛体；

该岛基10由多层回填砂构筑而成，每层回填砂是在超大型混凝土浮箱下潜形成的围堰中构筑的，每层回填砂的高度不大于10m；浮箱的高度不低于一层回填砂的高度，浮箱内设置一道纵断墙和两道竖向隔墙，纵断墙设在浮箱的宽度的一半位置；每层围堰的外围尺寸按1：1～1：1.5的坡度向上逐渐减小，使岛基10的外形呈金字塔形。

岛体为直立式并由岛壁20、岛内体30和挡浪墙40构成；其中，

岛壁20的顶标高为最高潮位+波高+富裕高度；岛壁20由钢筒式格体及其内部的密实填料共同构成，钢筒式格体由钢质大圆筒主格20a与直腹式钢板桩副格20b相互连接而成，并需要插入硬土层一定深度，钢质大圆筒主格20a和直腹式钢板桩副格20b内的密实填料为回填砂，形成稳固的挡土岛壁结构，并在钢质大圆筒主格20a和直腹式钢板桩副格20b内距顶部1m的范围内采用碎石垫层与块石护面；钢质大圆筒主格20a的直径为28m～30m，钢质大圆筒主格20a的净间距为14m～15m；直腹式钢板桩副格201b的圆弧半径略小于钢质大圆筒主格20a的半径，长度小于钢质大圆筒主格20a的长度。

岛内体30为填筑在岛壁20内的回填砂，且填筑顶高度需满足岛壁20稳定的要求；

挡浪墙40沿岛壁20的顶面外缘设置。

岛外部分位于中间井人工岛2的逆流端并布置材料码头51、防波堤52与港池53，材料码头51与防波堤53之间的缺口为港池口门。

材料码头51顺岸布设一个泊位，该泊位的长度按照材料运输船舶的型长设定，材料运输船舶按最大6000t驳船考虑。材料码头51利用岛内部分的岛壁20作为基础结构，上部浇筑钢筋混凝土胸墙，并配置橡胶护舷、系船柱、爬梯等码头附属设施；材料码头51的宽度为岛壁20的最大宽度，即为28m～30m；材料码头51的顶部高程按照历年最高潮位设计，再加上波高及富裕高度；鉴于材料码头51与岛内体30的地坪存在较大高差，在材料码头51后沿与岛内体30的地坪之间设置若干斜坡式码头引桥510。

防波堤52的断面结构由下部的箱式堤基和上部的直立式堤身构成；箱式堤基的断面结构与岛基10的断面结构相同；直立式堤身的结构与岛壁20的结构相同。箱式堤基由多层回填砂522构筑而成，每层回填砂522采用在超大型混凝土浮箱下潜形成的围堰521中构筑，每层回填砂522的高度不大于10m，且每层围堰521的外围尺寸按1：1～1：1.5的坡度向上逐渐减小，使堤基的外形呈金字塔形；浮箱的高度不低于一层回填砂的高度，浮箱内设置一道纵断墙和两道竖向隔墙，纵断墙设在浮箱的宽度的一半位置；浮箱内也填充砂性材料；直立式堤身523的结构与岛壁的结构相同并为筒式结构，筒式结构内也填筑回填砂522；直立式堤身523的顶部的海侧设置挡浪墙524。

港池53为防波堤52后沿至材料码头51前沿之间的水域；港池53的平面尺寸应满足材料运输船舶的回旋半径要求，材料运输船舶按最大6000t驳船考虑。

岛内部分设置海底掘进隧道1的中间井2A以及施工期用的混凝土搅拌站2C、钢筋加工间2D和办公及生活楼2E；

中间井2A为井筒式钢筋混凝土结构，且设在深基坑围护结构2B内，该深基坑围护结构2B是由钻孔灌注桩211作为挡土墙再加搅拌桩或高压悬喷桩止水帷幕212；中间井2A为重力式结构，根据地基承载力要求及沉降标准，对于软土地基，中间井2A的底部可适当设置微型桩213来加固地基。

中间井2A的平面呈矩形，平面尺度按公路隧道考虑，铁路隧道可相应减小；平面尺度还要满足施工期盾构掘进隧道的始发与接受功能要求，平面尺度有所增大，同时也能满足矿山法或新奥法掘进隧道的洞口平台需求。

中间井人工岛2坐落于原始海床上，中间井2A的底部稍低于海底掘进隧道1的底部。中间井人工岛2的岛壁顶标高设计应考虑深远海浪溅因素，以有效防止海水进入岛内。中间井2A位于中间井人工岛2内，中间井2A的顶标高设计无需再考虑潮位与波高，只要略高于岛内体30的地面标高即可。中间井2A的底标高低于海底掘进隧道底高程1m左右，中间井2A的顶标高高于岛内体30的地面标高1m左右

中间井2A的内部还设置水泵房和垂直电梯；中间井2A的顶部设置钢结构雨棚。

根据海底掘进隧道1通风计算确定中间井2A的纵向间距，建议设置机械通风，中间井2A的间距L不大于5km。

本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，是针对海底掘进隧道1的中间井2A的稳定性要求与施工难度提出的，即将中间井2A设在中间井人工岛2内，既解决了中间井2A在深远海的稳定性问题，又将海上施工转化为陆上施工，大大减小了外海海底结构施工的难度与安全风险，同时，中间井人工岛为外海隧道结构施工提供了钢筋、混凝土等施工材料的供应场地，与中间井人工岛配套的港池为远海施工船舶防台提供了一个相对可靠的避风锚地。隧道营运期，中间井人工岛上的混凝土搅拌站2C、钢筋加工间2D和办公及生活楼2E等区域改为综合楼与直升机停机坪。

本发明的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，适用于特长海底掘进隧道，海底掘进隧道的掘进施工方法可以是矿山法或新奥法，也可以是盾构掘进法。本发明的中间井除用于隧道通风与救援要求外，同时满足施工期盾构掘进隧道的始发与接受功能要求。

本发明的中间井人工岛施工时，中间井人工岛及其配套港池先行施工。中间井人工岛内的索塔基础必须在中间井人工岛的地基处理后固结沉降相对稳定后进行施工。中间井人工岛的岛内体填筑后应首先建设混凝土搅拌站3和钢筋加工间4等施工设施，以便为岛内钢筋混凝土结构施工提供混凝土等材料。

本发明的中间井人工岛的总体施工流程为：岛基的围堰施工→岛基的围堰内吹填→岛壁的筒体施工→岛壁的筒体内回填砂与地基处理→岛内体的回填砂与地基处理→混凝土搅拌站、材料码头及码头引桥、钢筋加工间等施工设施建设→中间井的基坑围护结构止水帷幕(搅拌桩或高压旋喷桩)施工→中间井的基坑围护结构施工→中间井与水泵房结构现浇→垂直电梯及照明灯等附属设施施工。

岛基10的围堰施工方法：岛基的围堰浮箱在船坞内分块预制，近岸水面组拼，采用多艘大功率拖轮整体浮运至现场，动力定位后整体下潜安装。

岛基10的围堰内吹填砂方法：采用绞吸式或舥吸式挖泥船进行吹填施工；

岛壁20的筒体施工方法：先在陆域钢结构加工厂制作钢质大圆筒主格，再采用专用运输船运输钢质大圆筒主格至现场，然后采用大型起重船配振动锤组振沉钢质大圆筒主格；采用专用运输船运输组拼及直腹式钢板桩副格，运输至现场后，先采用大型起重船配振动锤整体振沉副格预拼件，再采用单个振动锤逐根振沉直腹式钢板桩到设计标高；

岛壁20的筒体内回填砂与地基处理方法：采用皮带船在钢质大圆筒主格及直腹式钢板桩副格内回填砂；采用插板机在岛壁的筒体内进行塑料排水板打设，然后采用超高堆载砂进行预压；

岛内体30的回填砂与地基处理方法：采用绞吸式或舥吸式挖泥船进行岛内体的回填砂施工；采用插板机在岛内体30的进行塑料排水板打设，然后采用超高堆载砂进行预压；

中间井的深基坑围护结构钻孔灌注桩、搅拌桩或高压旋喷桩止水帷幕均采用陆上常规工艺，在岛内体的地坪上进行。

中间井与水泵房结构在深基坑围护结构内分层现浇。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，设在沿海底掘进隧道的轴线方向间隔设置的中间井人工岛上；每座中间井人工岛的平面呈带缺口的椭圆形，并分为岛内部分与岛外部分；其特征在于，

所述岛内部分设置海底掘进隧道的中间井；

所述岛内部分的断面结构包括下部的岛基和上部的直立式岛体；

所述岛基由多层回填砂构筑而成，每层回填砂采用在超大型混凝土浮箱下潜形成的围堰中构筑，且每层围堰的外围尺寸按1：1～1：1.5的坡度向上逐渐减小，使岛基的外形呈金字塔形；

所述岛体由岛壁和岛内体构成；所述岛壁由钢筒式格体和其内部的密实填料共同构成，钢筒式格体由钢质大圆筒主格与直腹式钢板桩副格相互连接而成，钢质大圆筒主格内和直腹式钢板桩副格内的密实填料为回填砂；钢质大圆筒主格和直腹式钢板桩副格内距顶部1m范围内采用碎石垫层与块石垫层护面；所述岛内体为填筑在岛壁内的回填砂；

所述岛外部分位于中间井人工岛的逆流端并布置材料码头、防波堤与港池，所述材料码头利用岛内部分的岛壁作为基础结构，上部浇筑钢筋混凝土胸墙，并配置码头附属设施；

所述防波堤的断面结构由下部的箱式堤基和上部的直立式堤身构成；所述箱式堤基的断面结构与所述岛基的断面结构相同；所述直立式堤身的结构与所述岛壁的结构相同；

所述港池为防波堤后沿至材料码头前沿之间的水域，所述材料码头与防波堤之间的缺口为港池口门；

所述中间井为井筒式钢筋混凝土结构，且设在深基坑围护结构内，该深基坑围护结构是由钻孔灌注桩作为挡土墙再加搅拌桩或高压悬喷桩止水帷幕，中间井的底部还采用微型桩加固地基；所述中间井的底标高低于海底掘进隧道底高程1m，中间井的顶标高高于岛内体的地面标高1m；中间井的内部设置水泵房和垂直电梯；中间井的顶部设置钢结构雨棚。

2.根据权利要求1所述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其特征在于，每层回填砂的高度不大于10m。

3.根据权利要求1所述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其特征在于，所述浮箱的高度不低于一层回填砂的高度，浮箱内设置纵断墙和竖向隔墙。

4.根据权利要求1所述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其特征在于，所述钢质大圆筒主格的直径为28m～30m，钢质大圆筒主格的净间距为14m～15m；所述直腹式钢板桩副格的圆弧半径小于钢质大圆筒主格的半径，长度小于钢质大圆筒主格的长度。

5.根据权利要求1所述的海底掘进隧道的人工岛式中间井结构，其特征在于，所述岛内部分还设置以及施工期用的混凝土搅拌站、钢筋加工间和办公及生活楼。

Images