CN113026529B - 一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，属于交通运输技术领域，包括依次连接的多个基础单元模块，所述基础单元模块包括浮桥动力舟、水下悬浮隧道、多个锚定块。本发明在浮管隧道上部增设动力舟桥，提供给整个系统机动性与可靠浮力，在短时间内利用重复的桥隧单元体快速拼接施工，解决深海施工难题，具有便捷、高效的特点；底部的混凝土锚定块相比于传统海底隧道的施工工艺，对海床生态、动物迁徙影响较小；通过设置浮桥内部的电磁阻尼俘能器阵列组件，将海浪的机械能转化为电能并存储于舟体中，达到利用清洁绿色能源的目的；提出了解决洋流带来的海面高度变化的双线性弹簧锚索组件概念，锚索受到拉力时，形成两阶段弹性变形。

Description

一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统

技术领域

本发明涉及交通运输技术领域，具体涉及一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统。

背景技术

随着城市化发展的需要与都市圈政策的提出，跨海交通基础设施的建设对于沿海城市群或是深水港口的连接，带动地区经济发展与文化交流有着重要的意义。但在环渤海、琼州海峡、台湾海峡地区，由于水深超过了50米，桥梁基础施工难度较大；在地质勘测不仔细的情况下，开挖隧道存在着较大的风险，所以至今桥隧数量还是较少。同时选择交通运输方式时需要考虑的一个重要因素是经济性。传统航运、水运已经远不能满足运量与经济性的需要，而铁路和车辆需要桥隧连接。

为解决上述问题，提出一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决在水深超过50米的条件下，桥隧基础施工难度较大等问题，提供了一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括依次连接的多个基础单元模块，所述基础单元模块包括浮桥动力舟、水下悬浮隧道、多个锚定块，所述浮桥动力舟与所述水下悬浮隧道相连接，所述水下悬浮隧道与所述锚定块之间设置有双线性弹簧锚索组件，所述水下悬浮隧道与所述锚定块通过所述双线性弹簧锚索组件连接，所述浮桥动力舟、所述水下悬浮隧道、所述多个锚定块自上而下依次设置。

更进一步地，所述浮桥动力舟包括浮桥、桥面、耳形气囊、电磁阻尼俘能器阵列组件、多个螺旋桨，所述桥面设置在所述浮桥上方，所述耳形气囊设置在所述浮桥两侧，所述电磁阻尼俘能器阵列组件设置在所述浮桥内部，所述螺旋桨设置在所述浮桥下方。

更进一步地，所述耳形气囊内部采用重复排列的蜂窝结构。

更进一步地，所述浮桥包括多个沿轴向并列设置的空心钢箱梁，所述电磁阻尼俘能器阵列组件包括多个电磁阻尼俘能器、电池组件，多个所述电磁阻尼俘能器均匀设置在各所述空心钢箱梁中，所述电磁阻尼俘能器与所述电池组件电连接，所述电池组件与所述螺旋桨的电动机电连接。

更进一步地，所述水下悬浮隧道包括两个结构相同的单向悬浮隧道，两个所述单向悬浮隧道之间间隔设置有隧道互通通道，两个所述单向悬浮隧道之间通过所述隧道互通通道连通。

更进一步地，所述水下悬浮隧道还包括钢桁架结构，两个所述单向悬浮隧道通过所述钢桁架结构与所述浮桥连接。

更进一步地，所述单向悬浮隧道的内部上方设置有车辆通行通道，下方设置有综合管廊组件、安全通道。

更进一步地，两个相邻所述基础单元模块之间设置有通航航道，所述通航航道下方的两个单向悬浮隧道合并连通形成一个双向悬浮隧道，在两个所述基础单元模块中的桥面终点处均设置有桥隧互通隧道，所述桥隧互通隧道的一端与所述桥面连接，另一端与所述双向悬浮隧道连通。

更进一步地，所述双线性弹簧锚索组件包括连接上下部结构的锚索、在锚索相交处或其余锚索中部缠绕连接的具有弹性回力的轴体、在轴体外起到保护作用的球状外壳，所述球状外壳与所述轴体转动连接。

更进一步地，所述双线性弹簧锚索组件还包括设置有钢制轴体两端的转动盘、卷簧、定位件，所述转动盘与球状外壳连接，所述轴体与所述转动盘转动连接，所述卷簧位于钢制轴体端部开设的环形槽中，一端与轴体端部圆台连接，另一端与转动盘连接，通过所述定位件对所述卷簧的位置进行定位。

本发明相比现有技术具有以下优点：该分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，在浮管隧道上部增设动力舟桥，提供给整个系统机动性与可靠的浮力，在短时间内利用重复的桥隧单元体快速拼接施工，解决深海施工难题，具有便捷、高效的特点；底部的混凝土锚定块相比于传统海底隧道的施工工艺，对海床生态、动物迁徙影响较小；通过设置浮桥内部的电磁阻尼俘能器阵列组件，将海浪的机械能转化为电能并存储于舟体中，达到利用清洁绿色能源的目的；提出了解决洋流带来的海面高度变化的双线性弹簧锚索组件概念，锚索受到拉力时，形成两阶段弹性变形，即弹性双线性锚索：前弹性变形由扭轴转动提供；后弹性变形由锚索自身弹性应变提供；通过带有综合管廊组件的全新桥隧结构，上桥下隧的形式使得结构具有丰富的可拓展性，通行交通的同时，实现石油、天然气、可燃冰等资源的大跨度远距离跨海运输的目的，解决了多种资源的运输成本高及效率低问题，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中装配式动力舟桥系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例二中浮桥动力舟的截面结构示意图；

图3是本发明实施例二中装配式动力舟桥系统的截面结构示意图；

图4是本发明实施例二中悬浮隧道的局部结构示意图；

图5是本发明实施例二中加劲纵横隔板的位置示意图；

图6是本发明实施例二中悬浮隧道的截面结构示意图；

图7是本发明实施例二中双线性弹簧锚索组件的结构示意图；

图8是本发明实施例二中桥隧互通的连接示意图；

图9是本发明实施例二中桥隧互通的局部示意图；

图10是本发明实施例二中装配式动力舟桥系统的施工工艺流程图；

图11是本发明实施例二中电磁阻尼俘能器组件的结构示意图；

图12是本发明实施例二中双线性锚索轴体端部的横截面示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，包括依次连接的多个基础单元模块，所述基础单元模块包括浮桥动力舟、水下悬浮隧道、多个锚定块，所述浮桥动力舟与所述水下悬浮隧道相连接，所述水下悬浮隧道与所述锚定块之间设置有双线性弹簧锚索组件，所述水下悬浮隧道与所述锚定块通过所述双线性弹簧锚索组件连接，所述浮桥动力舟、所述水下悬浮隧道、所述多个锚定块自上而下依次设置。

在本实施例中，所述浮桥动力舟包括浮桥、桥面、耳形气囊、电磁阻尼俘能器阵列组件、多个螺旋桨，所述桥面设置在所述浮桥上方，所述耳形气囊设置在所述浮桥两侧，所述电磁阻尼俘能器阵列组件设置在所述浮桥内部，所述螺旋桨设置在所述浮桥下方。

在本实施例中，所述耳形气囊内部采用重复排列的蜂窝结构。

在本实施例中，所述浮桥包括多个沿轴向并列设置的空心钢箱梁，所述电磁阻尼俘能器阵列组件包括多个电磁阻尼俘能器、电池组件，多个所述电磁阻尼俘能器均匀设置在各所述空心钢箱梁中，所述电磁阻尼俘能器与所述电池组件电连接，所述电池组件与所述螺旋桨的电动机电连接。

在本实施例中，所述水下悬浮隧道包括两个结构相同的单向悬浮隧道，两个所述单向悬浮隧道之间间隔设置有隧道互通通道，两个所述单向悬浮隧道之间通过所述隧道互通通道连通。

在本实施例中，所述水下悬浮隧道还包括钢桁架结构，两个所述单向悬浮隧道通过所述钢桁架结构与所述浮桥连接。

在本实施例中，所述单向悬浮隧道的内部上方设置有车辆通行通道，下方设置有综合管廊组件、安全通道。

在本实施例中，两个相邻所述基础单元模块之间设置有通航航道，所述通航航道下方的两个单向悬浮隧道合并连通形成一个双向悬浮隧道，在两个所述基础单元模块中的桥面终点处均设置有桥隧互通隧道，所述桥隧互通隧道的一端与所述桥面连接，另一端与所述双向悬浮隧道连通。

在本实施例中，所述双线性弹簧锚索组件包括连接上下部结构的锚索、在锚索相交处或其余锚索中部缠绕连接的具有弹性回力的轴体、在轴体外起到保护作用的球状外壳，所述球状外壳与所述轴体转动连接。

在本实施例中，所述双线性弹簧锚索组件还包括设置有钢制轴体两端的转动盘、卷簧、定位件，所述转动盘与球状外壳连接，所述轴体与所述转动盘转动连接，所述卷簧位于钢制轴体端部开设的环形槽中，一端与轴体端部圆台连接，另一端与转动盘连接，通过所述定位件对所述卷簧的位置进行定位。

实施例二

本实施例提供了一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，具体内容如下：

1、桥隧结构

如图1所示，桥隧整体由若干个长50～300米的基础单元模块拼接而成，结构从上至下依次包括下挂螺旋桨的浮桥动力舟、水下悬浮隧道、位于海床的多个混凝土锚定块31以及连接上下结构的双线性弹簧锚索组件32三个主要部分。(利用sketchup软件建模得到整体图1)

为了提供可靠的浮力，利用仿生学，在浮桥11两侧设有防浪抗撞耳形气囊13，气囊内部采用重复排列的蜂窝结构，提高安全性；浮桥11下挂螺旋桨14，提供充足的动力。浮桥11的横截面(见图3)包括若干个整齐排列的空心长方形钢箱梁；并在长方形钢箱梁内部设有电磁阻尼俘能器阵列组件15，每个电磁阻尼俘能器包括抗摆减震阻尼器151、弹性柱状阻尼棒152、设置在弹性柱状阻尼棒152外部的俘能压电片153，在海浪的冲击下，俘能器产生阻尼振动，将振动的产生的机械能通过位于阻尼器周围的俘能压电片153转化为电能(见图11)，并及时储存于电池中，电池安装在指定位置，可以在浮桥11内部或者钢桁架结构22上，电池一方面用于日常桥隧的照明能源，一方面用于提供给电动机的驱动能源。达到减少海浪冲击提高稳定性并转化利用新能源的目的(见图2)。

在浮桥11下方两侧，挂有通过电动机驱动的螺旋桨14，在浮桥装配、拆卸阶段，预先对电池进行充电，为电动机驱动的螺旋桨14提供足够的动力。利用每个模块自带的螺旋桨动力系统，可以大大提高施工安装、拆卸的效率，节省运输费用。

水下悬浮隧道结构包括两个结构完全相同的悬浮隧道21(见图3)，每隔一段距离会设置有将两侧隧道相连互通的通道23(见图4)；两个悬浮隧道21上侧用钢桁架结构22与浮桥11相连，构成整体悬浮结构。悬浮隧道21横截面采用圆形截面，提高受力性能；在圆形截面内部设置有加劲纵横隔板(见图5)，在图5中sec-1、sec-2、sec-3、sec-4、sec-5、sec-6处加入多块加劲纵横隔板，很大程度上减小了局部应力；悬浮隧道21的内部，上方预留车辆通行通道212，下方预留有综合管廊组件211、安全通道2116，综合管廊组件包括人员输送滑梯2117、天然气管道2111、石油运输管道2112、通讯管道2113、电路输送管2114、防潮灯2115。(见图6)。

在海床处设有混凝土锚定块31，利用自重与浮力相平衡的原理，使得竖直方向上整体结构达到受力平衡。为了应对海洋洋流变化对海平面产生的影响，利用双线性弹簧锚索组件32(见图7)连接上部悬浮结构与混凝土锚定块31，该锚索组件特性为前弹性变形由扭轴转动提供，后弹性变形由锚索自身弹性应变提供。该锚索组件包括连接上下部结构的锚索323、在锚索323相交处缠绕连接的具有弹性回力的钢制轴体322，在钢制轴体322外起到保护作用的钢制球状外壳321，图7中仅展示了一条锚索323，实际应用中，穿过钢制球状外壳321及缠绕在钢制轴体322上的锚索323的数量为两条，而在其余锚索中部穿过的数量为一条。当海平面上升，锚索323的长度在扭轴(具有弹性回力的钢制轴体322)转动和浮力变化影响下变长，最终达到受锚索323自身弹性应变约束的状态；当海平面下降，锚索323的长度在扭轴(具有弹性回力的钢制轴体322)弹性回力产生的转动和浮力变化的影响下变短，通过利用该变形特点与材料弹性特征，来消除洋流等水平面升降对结构所产生的影响，同时在水平方向上利用拉力与水平海浪冲击力相平衡，保证结构的整体稳定性与安全性。

如图12所示，钢制轴体322转动的原理类似卷尺伸缩原理，双线性弹簧锚索组件32还包括设置在钢制轴体322两端的转动盘324、卷簧325、定位件，转动盘324与钢制球状外壳321内壁固定连接，钢制轴体322与转动盘324转动连接，卷簧325位于钢制轴体322端部开设的环形槽中，一端与钢制轴体322端部圆台连接，另一端与转动盘324连接。定位件用于对卷簧325的位置进行定位；

定位件包括设置在卷簧325外表面的倒齿3261、设置在转动盘324上的卡爪3262，卡爪3262与转动盘324转动连接，通过设置在转动盘324外部的调节电机驱动，调节电机与电池组件电连接；

正向(图12中所示方向)转动时，也即海平面上升，卡爪3262会被倒齿3261推开，锚索323变长，卷簧325收紧，当卷簧325收紧至一定程度后，控制卡爪3262卡进倒齿3261之间的齿槽中，实现限位，然后通过由锚索323自身弹性应变提供后弹性变形。

为了保证通航需要，提出桥隧互通的概念(见图8)，利用桥隧互通隧道4(圆形截面隧道)(见图9)将桥面12与悬浮隧道21连接，桥面12两侧与悬浮隧道21采用桁架结构22连接，在桥面12终点处安装耳形气囊13，该处的耳形气囊13通过支撑柱131支撑，以保证安全稳定性。达到连接浮桥11与悬浮隧道21的目的，也在一定程度上满足了悬浮隧道21内部通风的需要；

需要说明的是，在桥隧互通隧道4的隧道入口41与桥面12终点端之间还设置有景观草坪51、临时停车位52、水上观景台53，水上观景台53上端还设置有观景台玻璃幕墙531，在两个相邻的桥面12终点端之间形成通航航道6，供船只等通航。通航航道6下方的悬浮隧道21为双向悬浮隧道，桥面12下方的悬浮隧道21为单向悬浮隧道。

2、桥隧的施工工艺

2.1、施工工艺流程

如图10所示，为本实施例中装配式动力舟桥系统的施工工艺流程图。

2.2、主要施工方法

(1)现场勘测阶段

此阶段为施工的开始阶段，由专业的测绘公司，以及相关部门完成海面现场环境的综合勘测和相关数据的整理与分析。制定出最全面的现场地形图，为后续的定位和施工做出权威的支撑。

(2)制定完相关图纸和数据，为保证交通系统单元可以准确达到制定区域，采用全球定位系统(GPS)标点定位，标点定位的误差严格控制在设计与规范要求。

(3)基础单元模块在预制厂进行制作，通过大型载重汽车运输到施工现场，实现利用拖船将预先准备好的大型混凝土锚定块沉落固定于海底，并利用定位器与北斗卫星连接进行精确定位。预先将位于浮桥内部的储存电池充满，模块入水后，利用内置于模块的定位器与北斗卫星连接，通过远程遥感操控技术或人工智能作用下自动驾驶技术，驱动下挂于舟桥的螺旋桨动力系统，并利用5G信号进行高效信息传输，到达对应的混凝土锚定块所在地点，并通过双线性弹簧锚索组件与下部混凝土锚定块相连。为了保证基础单元模块可以准确投放在指定的水域，应该由现场监理工程师协同前往。

(4)交通系统单元的连接

41、悬浮隧道的连接

水下悬浮隧道部分的连接在海底进行，由专门的水下机器人在水下工作，基础单元模块的海底隧道部分采用的是国际上最为先进的航天器对接方式——锁钩式结构锁，由海底机器人固定住两个海底管道，两个海底管道一边为主动钩，一边为被动钩，通过传动系统将两个钩子连接在一起，同时实现两个海底管道的连接，最后连接完成之后，所有舱门打开，即代表连接完成。

2、浮桥部分的连接

浮桥的链接部分采用的是较为传统的焊接部分，水下部分由海底机器人完成，水面部分由工人进行焊接连接，焊接均满足设计规范及规范要求。

浮桥具有如下优点：

有效减弱波浪撞击；

填充特殊材料抗沉性能好；

长久的使用寿命。

(5)安装栏杆附属设施备

在各个阶段的施工及完善后开始安装栏杆及电力通讯设备，确保电力安全及网络的畅通，更考虑美学及安全性。

需要说明的是，本实施例中装配式动力舟桥系统相比于现有技术具有以下技术优势：

整个桥隧结构由若干个重复的装配式单元构成，使得制备运输得以流水线作业更高效；利用动力舟浮桥的动力系统使得水上运输更快捷；若在未来配合以自动对接、人工智能、自动导航等新技术，便可以最大程度做到施工的智能运行，节省了人员成本与施工成本，同时简单的结构形式也节省了养护费用。

可持续发展的理念贯穿了整个方案的设计。内置于浮桥动力舟内部的电磁阻尼俘能器阵列组件将海浪冲击的机械能转化为电能储存于舟桥内部，一定程度上回收利用了绿色新能源。位于海床的混凝土锚定块相比于传统海底隧道，对海床的生态破坏降到了最低，做到了人与自然和谐共生的理念。

悬浮隧道下部预留有带有安全通道的综合管廊组件，实现了石油、可燃冰、天然气等资源的远距离大跨度跨海运输，这对作品选址地三沙群岛的战略意义是巨大的。在桥隧互通系统桥面的终端，也可以设立海上观景台或是水上服务区，人性化的设计理念得以给每一位使用者更好的体验。

桥隧的互通以及隧道内部的互通，使得整个结构内部更加灵动，满足了通风的需要。此外，双线性弹簧锚索组件也赋予结构处理洋流变化全新的解决方案，与耳形防浪抗撞气囊一同保证了结构的稳定性与安全性

综上所述，上述实施例的分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，在浮管隧道上部增设动力舟桥，提供给整个系统机动性与可靠的浮力，在短时间内利用重复的桥隧单元体快速拼接施工，解决深海施工难题，具有便捷、高效的特点，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，其特征在于：包括依次连接的多个基础单元模块，所述基础单元模块包括浮桥动力舟、水下悬浮隧道、多个锚定块，所述浮桥动力舟与所述水下悬浮隧道相连接，所述水下悬浮隧道与所述锚定块之间设置有双线性弹簧锚索组件，所述水下悬浮隧道与所述锚定块通过所述双线性弹簧锚索组件连接，所述浮桥动力舟、所述水下悬浮隧道、所述多个锚定块自上而下依次设置；

所述浮桥动力舟包括浮桥、桥面、耳形气囊、电磁阻尼俘能器阵列组件、多个螺旋桨，所述桥面设置在所述浮桥上方，所述耳形气囊设置在所述浮桥两侧，所述电磁阻尼俘能器阵列组件设置在所述浮桥内部，所述螺旋桨设置在所述浮桥下方；

所述浮桥包括多个沿轴向并列设置的空心钢箱梁，所述电磁阻尼俘能器阵列组件包括多个电磁阻尼俘能器、电池组件，多个所述电磁阻尼俘能器均匀设置在各所述空心钢箱梁中，所述电磁阻尼俘能器与所述电池组件电连接，所述电池组件与所述螺旋桨的电动机电连接；

所述双线性弹簧锚索组件包括连接上下部结构的锚索、在锚索相交处或其余锚索中部缠绕连接的具有弹性回力的轴体、在轴体外起到保护作用的球状外壳，所述球状外壳与所述轴体转动连接；

所述双线性弹簧锚索组件还包括设置有钢制轴体两端的转动盘、卷簧、定位件，所述转动盘与球状外壳连接，所述轴体与所述转动盘转动连接，所述卷簧位于钢制轴体端部开设的环形槽中，一端与轴体端部圆台连接，另一端与转动盘连接，通过所述定位件对所述卷簧的位置进行定位。

2.根据权利要求1所述的一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，其特征在于：所述耳形气囊内部采用重复排列的蜂窝结构。

3.根据权利要求2所述的一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，其特征在于：所述水下悬浮隧道包括两个结构相同的单向悬浮隧道，两个所述单向悬浮隧道之间间隔设置有隧道互通通道，两个所述单向悬浮隧道之间通过所述隧道互通通道连通。

4.根据权利要求3所述的一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，其特征在于：所述水下悬浮隧道还包括钢桁架结构，两个所述单向悬浮隧道通过所述钢桁架结构与所述浮桥连接。

5.根据权利要求3所述的一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，其特征在于：所述单向悬浮隧道的内部上方设置有车辆通行通道，下方设置有综合管廊组件、安全通道。

6.根据权利要求3所述的一种分布式下挂浮管隧道的装配式动力舟桥系统，其特征在于：两个相邻所述基础单元模块之间设置有通航航道，所述通航航道下方对应位置的两个单向悬浮隧道合并连通形成一个双向悬浮隧道，在两个所述基础单元模块中的桥面终点处均设置有桥隧互通隧道，所述桥隧互通隧道的一端与所述桥面连接，另一端与所述双向悬浮隧道连通。

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