CN112854300A - 一种水下悬浮隧道 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下悬浮隧道，包括隧道主体、索锚装置和浮重比自调节装置；所述隧道主体包括外壳和空腔，所述外壳用于将空腔与水流进行隔离，所述空腔用于通行；所述索锚装置用于将隧道主体与河岸地层连接，以为隧道主体提供锚固力；所述浮重比自调节装置用于根据水流流速及隧道主体内的运营荷载情况自动调整隧道主体在水中的形态以及通过控制隧道主体外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体浮重比的目的。本发明能够根据水流情况及隧道内交通荷载情况实现浮力的自动调整，不仅使得隧道结构的结构受力更加合理，同时可以利用水流产生的浮力降低悬索、拉杆等结构的受力，有利于隧道结构的长期服役性，具有较高的经济效益。

Description

一种水下悬浮隧道

技术领域

本发明涉及隧道技术领域，具体涉及一种水下悬浮隧道。

背景技术

水中悬浮隧道是一种设置于因深水而分隔两岸之间的交通运输结构，其包括浮在水中的主结构(该结构中设有可适应道路或铁道等交通工具运行的空间)、用于支撑主结构的支撑结构和用于与两岸连接的连接结构。

水下悬浮隧道主要用于穿越深度大、跨度小、自然环境恶劣的河流或海湾。对于线路需穿越深度大，跨度小的河流的情况，埋置在河床中的常规隧道形式会由于展线的原因引起线路长度大幅度增加，且线路纵坡亦存在大幅度增加等问题。若进一步存在周围环境过于恶劣不利于桥梁的正常运营的情况，或桥梁会严重影响水面船只或航空工具的正常通行的情况，则拟建线路采用桥梁形式跨越河流或海湾的方案亦不可行。水下悬浮隧道则完全可以避开此类问题，因隧道主体结构位于水中，可避免风浪、雨、雪等不利环境的影响，同时，因隧道并非位于河床中，不需要进行大幅度的展线，可降低施工成本。

虽然悬浮隧道与沉管隧道、深埋隧道、桥梁等跨海通道方案相比，具有一定优势，但悬浮隧道的设计、施工仍然是一个世界性的难题。目前针对悬浮隧道的研究，发现的诸多技术问题主要有：总体结构布置、隧道材料、锚固系统结构型式、隧道连接型式及接岸结构设计、隧道结构可实施性、施工与营运风险等。现有技术中，根据悬浮隧道自身重力与所受浮力之间的关系，提出的结构型式大致可分为三类：浮筒式、锚固式、墩柱式。浮筒式悬浮隧道是通过锚索或锚链把隧道悬挂于水面的浮筒上，隧道重力大于浮力，垂直方向受潮位涨落影响很大；锚固式悬浮隧道是通过张力腿或锚索把隧道锚固于海床以下的锚碇基础上，隧道重力小于浮力，隧道会在水动力作用下发生位移或晃动；墩柱式其实是支承在水下墩柱上的隧道桥，施工难度大且造价昂贵。由于隧道漂浮于水中，隧道安装施工受风、浪、流及船行波等影响，三种型式的隧道水下定位、水下或水上对接施工难度都很大，且水下营运期舒适度及安全风险均难以预估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种受力合理以及有利于运营期的维护的一种水下悬浮隧道。

为实现上述目的，本发明提供了一种水下悬浮隧道，包括隧道主体、索锚装置和浮重比自调节装置；所述隧道主体包括外壳和空腔，所述外壳用于将空腔与水流进行隔离，所述空腔用于通行；所述索锚装置用于将隧道主体与河岸地层连接，以为隧道主体提供锚固力；所述浮重比自调节装置包括导流板、流速量测仪、车流量监视仪、轴重量测仪和控制中心，所述导流板设置于隧道主体的出水端上，用于对水流进行导流；所述流速量测仪设置于隧道主体的外侧，用于监测隧道主体外侧的水流流速；所述车流量监视仪设置于隧道主体上，用于对过往车辆进行识别检测；所述轴重量测仪设置于隧道主体上，用于对过往车辆的轴重进行测量；所述控制中心用于根据水流流速及隧道主体内的运营荷载情况自动调整隧道主体在水中的形态以及通过控制隧道主体外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体浮重比的目的。

优选的，所述隧道主体的外形结构设置为迎水端大、出水端小、上表面平、下表面凸起的机翼形结构。

优选的，所述外壳包括从外至内依次设置的第一防腐层、第一钢板层和第一龙骨架层；所述第一龙骨架层采用至少一件的龙骨架分别焊接于第一钢板层的内侧，且相邻两件第一龙骨架层以间隔0.5-1m设置；所述第一钢板层采用5-15mm厚的钢板制作而成；所述第一防腐层采用防腐橡胶材料制作而成。

优选的，所述空腔通过内支撑组件进行间隔，所述内支撑组件包括立杆，所述立杆的两端分别与外壳内侧的上下两端连接，以实现对空腔的间隔。

所述索锚装置包括拉索接收井、拉索组件和索夹，所述拉索接收井用于为隧道主体提供锚固力，所述拉索组件用于通过将隧道主体与拉索接收井连接实现对隧道主体的固定，所述索夹用于将拉索组件和外壳连接。

优选的，所述拉索接收井设有各自设在隧道两侧的顶推侧海岸上和隧道两侧的接收侧海岸上的四个，每个拉索接收井组件包括拉索锚碇墩、监控室和动力端，所述拉索锚碇墩设在拉索接收井的下部，且其临水侧设有导缆器、中部开设有索力监测槽、后端设置有电动锚机，所述索力监测槽内设置有索力监测器，且其两端设置有锚碇块；所述监控室设在按索接收井的上部，该监控室用于监测拉索的应力；所述动力端设置于拉索接收井的后侧。

优选的，所述拉索组件包括主缆和拉杆组件，所述主缆包括用于连接第一拉索接收井和第三拉索接收井以及用于连接第二拉索接收井和第四拉索接收井的两件，所述拉杆组件设有至少一件，其分别均匀设置于外壳上，用于通过索夹与主缆连接，以实现隧道主体的固定；

所述索夹以2为倍数设置，且其一端分别焊接于外壳的第一钢板层上，另一端与拉索组件连接。

所述浮重比自调节装置包括导流板、流速量测仪、车流量监视仪、轴重量测仪和控制中心，所述导流板设置于隧道主体的出水端上，并通过连接组件与外壳连接，用于对水流进行导流；所述流速量测量仪用于监测隧道主体外侧的水流流速；所述车流量监视仪设置有分别设置于隧道主体的进口和出口处的两件，用于对过往车辆进行识别检测；所述轴重量测仪设置有分别设置于隧道主体的进口和出口处的两件，用于对过往车辆的轴重进行测量；所述控制中心用于根据水流流速及隧道主体内的运营荷载情况自动调整隧道主体在水中的形态以及通过控制隧道主体外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体浮重比的目的。

优选的，所述导流板沿隧道主体的纵向设置有至少一件，且相邻两件导流板分别以间隔3-5米设置。

优选的，所述流速量测仪沿隧道主体的纵向设有至少一组，且每组包括分别设置于隧道主体的上表面、迎水侧、下表面最低点和下表面靠近导流板处的四件。

优选的，设置于隧道主体最外侧的两件所述导流板分别与河岸线采用间隔5-10米设置。

作为本发明的进一步方案：所述导流板包括至少一件导流板，所述导流板包括从外至内依次设置的第二防腐层、第二钢板层和第二龙骨架层；所述连接组件包括铰接器和液压杆，所述铰接器的两端分别与导流板和外壳连接，用于保证导流板和隧道主体结构牢固地连接在一起，并使导流板与外壳实现相对转动；所述液压杆用于通过其伸缩功能与铰接器的配合对导流板组件中的导流板之间的相对空间位置进行调整，实现导流效果。

优选的，所述铰接器包括连接钢板、套筒、转动轴和限位件，所述连接钢板设有两件，且其均固定设置于套筒上，用于与导流板和外壳连接；所述套筒套设于转动轴上，并通过限位件对运动范围进行限位。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所提供的悬浮隧道结构形式能够根据水流情况及隧道内交通荷载情况实现浮力的自动调整，不仅使得隧道结构的结构受力更加合理，同时可以利用水流产生的浮力降低悬索、拉杆等结构的受力，有利于隧道结构的长期服役性，具有较高的经济效益。相比较于既有水下隧道结构型式，多功能水悬浮隧道无需埋置于河床内或者承支于河床中间桩墩上，具有结构轻巧、圬工量小、造价低廉等优势，特别适用于水流流向稳定的内河水下交通、物流、通讯等通道工程。

(2)本发明中通过将隧道主体设置成机翼形结构，以利用机翼形的外部流线，在动水流作用下减少隧道整体结构受到的上浮力。

(3)本发明中通过将隧道主体设置成轻钢龙骨架焊接而成，以减少隧道主体的整体重量，并通过设置于龙骨架外侧的薄钢板增加整体结构的密封性，以及通过防腐层进行防腐保护。

(4)本发明中通过设置索锚装置，以用于约束悬浮隧道主体结构在水流方向上的位移及提供冗余的抵抗隧道主体结构上浮的拖拽力，从而稳定悬浮隧道主体结构的空间位置。

(5)本发明中通过在隧道出入口设置车流量测量仪和车轴测量仪，以通过对车流量的检测以及车轴重的检测，从而控制隧道内的车流。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明悬浮隧道设置于水流中的示意图；

图2是本发明中隧道主体的结构示意图；

图3是本发明图2中A局部放大示意图；

图4是本发明中隧道主体与索锚装置的连接示意图；

图5是本发明中拉索接收井的结构示意图；

图6是本发明中拉索锚碇墩的结构示意图；

图7是本发明中流速量测量仪分布示意图；

图8是本发明中导流板组件与外壳的连接示意图；

图9是本发明图6中B局部放大示意图；

图10是本发明中铰接器的结构示意图。

其中：

1、隧道主体，11、外壳，111、第一防腐层，112、第一钢板层，113、第一龙骨架层，12、内支撑装置，121、立杆，122、地梁，13、检修洞室，14、交通洞室，15、物流通道，16、水管洞室，17、通讯洞室；

21、拉索接收井，211、拉索锚碇墩，212、导缆器，213、索力监测槽，214、电动锚机，215、索力监测器，217、动力站，22、拉索组件，221、主缆，222、拉杆，23、索夹；

31、导流板组件，311、导流板，3111、第二防腐层，3112、第二钢板层，3113、第二龙骨架层，32、连接组件，321、铰接器，3211、连接钢板，3212、套筒，3213、转动轴，3214、限位件，322、液压杆；

4、水流，41、河岸线；

71、流速量测仪。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点等能够更加明确易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精确比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施；本发明中所提及的若干，并非限于附图实例中具体数量；本发明中所提及的‘前’‘中’‘后’‘左’‘右’‘上’‘下’‘顶部’‘底部’‘中部’等指示的方位或位置关系，均基于本发明附图所示的方位或位置关系，而不指示或暗示所指的装置或零部件必须具有特定的方位，亦不能理解为对本发明的限制。

本实施例：

参见图1所示，本发明提供的一种水下悬浮隧道，包括隧道主体1、索锚装置和浮重比自调节装置，所述隧道主体1设置为迎水端大、出水端小、上表面平、下表面凸起呈流线形的机翼形密闭体带空腔的结构，其空腔用于车辆通行，其外形利用机翼形外部流线使隧道主体1在水流4的作用下有效减少隧道整体结构所受到的上浮力；所述索锚装置用于将隧道主体1与河岸地层连接；所述浮重比自调节装置用于根据水流流速及隧道主体1内的运营荷载情况自动调整隧道主体1在水中的形态以及通过控制隧道主体1外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体1浮重比的目的。

参见图2和图3所示，所述隧道主体1包括外壳11和设置于外壳11内的空腔结构，所述外壳11包括从外至内依次设置的第一防腐层111、第一钢板层112和第一龙骨架层113，所述第一龙骨架层113采用若干件轻钢龙骨架相互焊接而成，形成一个带空腔的结构，以有效提高隧道主体1的整体结构刚性，保证隧道主体1的外轮廓以及运营要求；所述第一钢板层112焊接于第一龙骨架层113上，用于保证外壳11的密封性，同时减少隧道整体结构的用钢量；所述第一防腐层111黏贴于第一钢板层112上，用于实现外壳11的防腐功能；所述空腔结构通过若干的内支撑组件12分隔成检修洞室13、交通洞室14、物流通道15、水管洞室16和通讯洞室17。

优选的，所述第一防腐层111采用防腐橡胶材料制作而成。

优选的，所述第一钢板层112采用5-15mm厚的钢板制作而成。

优选的，所述第一龙骨架层113采用若干件龙骨架分别以间隔0.5-1m的间距焊接而成。

优选的，所述内支撑组件12包括立杆121和地梁122，所述立杆121的两端分别与第一龙骨架层113焊接，以将空腔进行分隔；所述地梁112的两端分别与立杆121和第一钢板层112焊接，以通过立杆121和第一龙骨架层113之间形成一个腔体。

参见图4至图6所示，所述索锚装置包括拉索接收井21、拉索组件22和索夹23，所述拉索接收井21用于为隧道主体1提供锚固力，所述拉索组件22用于通过将隧道主体1与拉索接收井21连接实现对隧道主体1的固定，所述索夹23用于将拉索组件22和外壳11连接。

优选的，所述拉索接收井21设有各自设在隧道两侧的顶推侧海岸上和隧道两侧的接收侧海岸上，每个拉索接收井组件21包括拉索锚碇墩211和监控室，所述拉索锚碇墩211设在拉索接收井21的下部，且其临水侧设有导缆器212、中部开设有索力监测槽213、后端设置有电动锚机214，所述索力监测槽213内设置有索力监测器215，且其两端设置有锚碇块；所述监控室设在按索接收井21的上部，该监控室用于监测拉索的应力。

优选的，每个拉索接收井21的后侧还设有动力端217。

优选的，所述拉索组件22包括主缆221和拉杆组件222，所述主缆221优选包括用于连接第一拉索接收井211和第三拉索接收井213以及用于连接第二拉索接收井212和第四拉索接收井214的两件，所述拉杆组件222设有若干件，其分别均匀设置于外壳11上，用于通过索夹23与主缆221连接，以实现隧道主体1的固定。

优选的，所述索夹23设置有至少两件，并以2为倍数设置，且其一端分别焊接于外壳11的第一钢板层112上，另一端与拉索组件22连接。

参见图1、图7所示，所述浮重比自调节装置包括导流板组件31、流速量测量仪71、车流量监视仪、轴重量测仪和控制中心，所述导流板组件31设置于隧道主体1的出水端上，并通过连接组件32与外壳11连接，用于对水流4进行导流；所述流速量测量仪71用于监测隧道主体1外侧的水流流速；所述车流量监视仪优选设置有分别设置于隧道主体1的进口和出口处的两件，用于对过往车辆进行识别检测；所述轴重量测仪优选设置有分别设置于隧道主体1的进口和出口处的两件，用于对过往车辆的轴重进行测量；所述控制中心用于根据水流流速及隧道主体1内的运营荷载情况自动调整隧道主体1在水中的形态以及通过控制隧道主体1外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体1浮重比的目的。

优选的，所述导流板组件31设置于隧道主体1的纵向方向上，且其与河岸线41间隔5-10米设置。

优选的，所述导流板组件31的相邻两件导流板组件31之间的间距设置为3-5m。

优选的，所述流速量测量仪71沿隧道主体1的纵向设置有若干组，且每组包括分别设置于隧道主体的上表面、迎水侧、下表面最低占和下表面靠近导流板处的四件。

优选的，所述流速量测量仪71沿隧道主体1的纵向分别以20-50米的间隔均匀设置。

参见图8至图10所示，所述导流板组件31由2-3块导流板311组成，所述导流板311从外至内依次设置有第二防腐层3111、第二钢板层3112和第二龙骨架层3113。

优选的，所述连接组件32包括铰接器321和液压杆322，所述铰接器321的两端分别与导流板311和外壳11连接，用于保证导流板和隧道主体1结构牢固地连接在一起，并使导流板与外壳11实现相对转动；所述液压杆322用于通过伸缩功能与铰接器321一起对导流板的空间位置进行调整，实现导流效果。

优选的，所述铰接器321包括连接钢板3211、套筒3212、转动轴3213和限位件3214，所述连接钢板3211设有两件，且其均固定设置于套筒3212上，用于与导流板311和外壳11连接；所述套筒3212套设于转动轴3213上，并通过限位件3214对运动范围进行限位。

本发明的安装步骤：

S1：拉索接收井施工；

S2：预制悬浮隧道主体结构、主缆、导流板等结构；

S3：主缆安装；

S4：悬浮隧道主体结构安装；

S5：导流板等结构安装：

S6：隧道附属设施安装；

S7：隧道验收。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下悬浮隧道，其特征在于：包括隧道主体(1)、索锚装置和浮重比自调节装置；

所述隧道主体(1)包括外壳(11)和空腔，所述外壳(11)用于将空腔与水流(4)进行隔离，所述空腔用于通行；

所述索锚装置用于将隧道主体(1)与河岸地层连接，以为隧道主体(1)提供锚固力；

所述浮重比自调节装置包括导流板(31)、流速量测仪(71)、车流量监视仪、轴重量测仪和控制中心，所述导流板(31)设置于隧道主体(1)的出水端上，用于对水流(4)进行导流；所述流速量测仪(71)设置于隧道主体(1)的外侧，用于监测隧道主体(1)外侧的水流流速；所述车流量监视仪设置于隧道主体(1)上，用于对过往车辆进行识别检测；所述轴重量测仪设置于隧道主体(1)上，用于对过往车辆的轴重进行测量；所述控制中心用于根据水流流速及隧道主体(1)内的运营荷载情况自动调整隧道主体(1)在水中的形态以及通过控制隧道主体(1)外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体(1)浮重比的目的。

2.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述隧道主体(1)的外形结构设置为迎水端大、出水端小、上表面平、下表面凸起的机翼形结构。

3.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述外壳(11)包括从外至内依次设置的第一防腐层(111)、第一钢板层(112)和第一龙骨架层(113)；所述第一龙骨架层(113)采用至少一件的龙骨架分别焊接于第一钢板层(112)的内侧，且相邻两件第一龙骨架层(113)以间隔0.5-1m设置；所述第一钢板层(112)采用5-15mm厚的钢板制作而成；所述第一防腐层(111)采用防腐橡胶材料制作而成；

所述空腔通过内支撑组件(12)进行间隔，所述内支撑组件(12)包括立杆(121)，所述立杆(121)的两端分别与外壳(11)内侧的上下两端连接，以实现对空腔的间隔。

4.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述索锚装置包括拉索接收井(21)、拉索组件(22)和索夹(23)，所述拉索接收井(21)用于为隧道主体(1)提供锚固力，所述拉索组件(22)用于通过将隧道主体(1)与拉索接收井(21)连接实现对隧道主体(1)的固定，所述索夹(23)用于将拉索组件(22)和外壳(11)连接。

5.根据权利要求4所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述拉索接收井(21)设有各自设在隧道两侧的顶推侧海岸上和隧道两侧的接收侧海岸上的四个，每个拉索接收井组件(21)包括拉索锚碇墩(211)、监控室和动力端(217)，所述拉索锚碇墩(211)设在拉索接收井(21)的下部，且其临水侧设有导缆器(212)、中部开设有索力监测槽(213)、后端设置有电动锚机(214)，所述索力监测槽(213)内设置有索力监测器(215)，且其两端设置有锚碇块；所述监控室设在按索接收井(21)的上部，该监控室用于监测拉索的应力；所述动力端(217)设置于拉索接收井(21)的后侧；

所述拉索组件(22)包括主缆(221)和拉杆组件(222)，所述主缆(221)包括用于连接第一拉索接收井(211)和第三拉索接收井(213)以及用于连接第二拉索接收井(212)和第四拉索接收井(214)的两件，所述拉杆组件(222)设有至少一件，其分别均匀设置于外壳(11)上，用于通过索夹(23)与主缆(221)连接，以实现隧道主体(1)的固定；

所述索夹(23)以2为倍数设置，且其一端分别焊接于外壳(11)的第一钢板层(112)上，另一端与拉索组件(22)连接。

6.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述浮重比自调节装置包括导流板(31)、流速量测仪(71)、车流量监视仪、轴重量测仪和控制中心，所述导流板(31)设置于隧道主体(1)的出水端上，并通过连接组件(32)与外壳(11)连接，用于对水流(4)进行导流；所述流速量测量仪(71)用于监测隧道主体(1)外侧的水流流速；所述车流量监视仪设置有分别设置于隧道主体(1)的进口和出口处的两件，用于对过往车辆进行识别检测；所述轴重量测仪设置有分别设置于隧道主体(1)的进口和出口处的两件，用于对过往车辆的轴重进行测量；所述控制中心用于根据水流流速及隧道主体(1)内的运营荷载情况自动调整隧道主体(1)在水中的形态以及通过控制隧道主体(1)外侧上表面和下表面的水流流速，从而达到控制隧道主体(1)浮重比的目的。

7.根据权利要求6所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述导流板(31)沿隧道主体(1)的纵向设置有至少一件，且相邻两件导流板(31)分别以间隔3-5米设置；

所述流速量测仪(71)沿隧道主体(1)的纵向设有至少一组，且每组包括分别设置于隧道主体(1)的上表面、迎水侧、下表面最低点和下表面靠近导流板处的四件。

8.根据权利要求7所述的水下悬浮隧道，其特征在于：设置于隧道主体(1)最外侧的两件所述导流板(31)分别与河岸线(41)采用间隔5-10米设置。

9.根据权利要求8所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述导流板(31)包括至少一件导流板(311)，所述导流板(311)包括从外至内依次设置的第二防腐层(3111)、第二钢板层(3112)和第二龙骨架层(3113)；

所述连接组件(32)包括铰接器(321)和液压杆(322)，所述铰接器(321)的两端分别与导流板(311)和外壳(11)连接，用于保证导流板和隧道主体(1)结构牢固地连接在一起，并使导流板与外壳(11)实现相对转动；所述液压杆(322)用于通过其伸缩功能与铰接器(321)的配合对导流板组件(32)中的导流板(311)之间的相对空间位置进行调整，实现导流效果。

10.根据权利要求9所述的水下悬浮隧道，其特征在于：所述铰接器(321)包括连接钢板(3211)、套筒(3212)、转动轴(3213)和限位件(3214)，所述连接钢板(3211)设有两件，且其均固定设置于套筒(3212)上，用于与导流板(311)和外壳(11)连接；所述套筒(3212)套设于转动轴(3213)上，并通过限位件(3214)对运动范围进行限位。

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