CN113389222A - 一种悬浮隧道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮隧道结构，包括，岸上隧道结构，所述岸上隧道结构设置于涉水区域两侧的岸坡位置；水中隧道结构，所述水中隧道结构横穿涉水区域，并连通所述涉水区域两侧的岸坡位置处的所述岸上隧道结构；抗浮导环，所述抗浮导环套设于所述水中隧道结构上，并将水中隧道结构部分包覆；所述抗浮导环包括双层的环形结构，所述双层的环形结构中，远离水中隧道结构的外壁为刚性结构，所述双层的环形结构内设置有缓冲结构；锚索单元，所述锚索单元用于水中隧道结构在基床上的锁定，所述锚索单元通过抗浮导环的刚性结构实现水中隧道结构的锚定。本发明中，锚索单元通过抗浮导环实现锚定，不会直接锚定到隧道上，进而锚索过程中，既能够锁定悬浮隧道，又不会直接牵引或者与悬浮隧道连接，减少了锚定中对其的磨损等。

Description

一种悬浮隧道结构

技术领域

本发明属于深水环境的交通运输技术领域，尤其涉及一种悬浮隧道。

背景技术

悬浮隧道又名阿基米德桥，简称SFT(Submerged Floating Tunnel)，是继跨海大桥、海底沉管隧道后又一种跨越深水域的创新型交通构筑物，悬浮隧道将突破沉管隧道必须沉放在河床、海床的限制，实现海中悬浮穿越，这也意味着一些水深超过百米、采用沉管隧道技术难以实现的跨海工程有望通过架设悬浮隧道，实现跨越。

阿基米德桥横截面可以为椭圆形或圆形，长度可达几千米，宽度可达几十米，可通行汽车，也可建成多通道，同时通行汽车和火车。由于技术上的一些难题没有解决，并且没有相应的设计、建设标准，目前世界上还没有一座真正的阿基米德桥。而一旦建成，阿基米德桥将成为一种新的交通方案供人们选择。更为重要的是，阿基米德桥适用于跨度较大、水位较深等不适宜建桥、隧道的地点。

目前，对于悬浮隧道的结构形式大概有三种支撑方式：

第一是浮筒式结构，当悬浮管道的浮力较小时，利用浮筒增加浮力；

第二是是锚索式，当管道的浮力足够大时，采用锚索拉力固定管道；

第三为刚性桩柱式，很像水中桥梁。

阿基米德桥的设计与建造向力学工作者提出了巨大挑战。首先是流固耦合问题，水中悬浮隧道，在波流载荷、海啸、地震，以及偶发爆炸撞击载荷作用下的动力响应和安全性的评估需要复杂的流固耦合动力学计算。再者，针对锚固方式和锚固结构的安全性，需要进行流固土之间的相互作用方面的研究，锚固系统在水流作用下会发生涡激振动(VIV)，对于铆索在海床上的固定强度有很大影响。最使人担心的是一旦发生意外，人的逃生问题十分严重。在这些问题未解决之前，人们是不敢贸然行事的。

从工程技术角度看，阿基米德桥的设计与建造遇到很多新问题。例如材料选择；锚固系统的结构形式；桥岸连接形式；服役条件，以及动力响应与结构安全。结构安全是最令人担心的事，它包括在地震、海啸、爆炸以及冲击载荷作用下的可靠性问题。另外，由于它在波流载荷作用下，疲劳问题和材料腐蚀失效问题更是棘手问题。总之，海洋工程中遇到的结构问题，这里都有。不过，由于它是交通设施安全问题，更为要紧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬浮隧道结构，在现有锚索式结构的基础上，做出了部分的改进，具体是增加了抗浮导环，进而避免了锚索与隧道结构直接接触，有利于隧道结构本体的保护与防腐。

为了实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案予以实现。

一种悬浮隧道结构，包括，

岸上隧道结构，所述岸上隧道结构设置于涉水区域两侧的岸坡位置；

水中隧道结构，所述水中隧道结构横穿涉水区域，并连通所述涉水区域两侧的岸坡位置处的所述岸上隧道结构；

抗浮导环，所述抗浮导环套设于所述水中隧道结构上，并将水中隧道结构部分包覆；

所述抗浮导环包括双层的环形结构，所述双层的环形结构中，远离水中隧道结构的外壁为刚性结构，所述双层的环形结构内设置有缓冲结构；

锚索单元，所述锚索单元用于水中隧道结构在基床上的锁定，所述锚索单元通过抗浮导环的刚性结构实现水中隧道结构的锚定。

本技术方案中，通过增加的设置“抗浮导环”结构，有别于以往锚索直接锚固在隧道结构上的锚索式悬浮隧道，“抗浮导环”是独立于隧道结构体的，其外包于隧道体外，横截面结构与隧道结构一致。该结构的设置避免了锚索与隧道结构直接接触，有利于隧道结构本体的保户与防腐。

本技术方案中，“抗浮导环”外为刚性结构，内嵌缓冲结构(如充气气囊)，与隧道体紧紧包裹，设于每段管节的中间部位，施工时，与隧道管节一同入水。缓冲结构能够确保在受到重大冲击等作用时，整个悬浮隧道结构的稳定性，避免摇晃等。

本技术方案中，锚索单元通过抗浮导环实现锚定，不会直接锚定到隧道上，进而锚索过程中，既能够锁定悬浮隧道，又不会直接牵引或者与悬浮隧道连接，减少了锚定中对其的磨损等。

作为本发明的进一步改进，所述缓冲结构嵌设于所述环形结构内，使用时，所述缓冲结构紧贴所述水中隧道结构，以实现抗浮。

本技术方案中，利用内嵌的缓冲结构，进而在进行接触时，由于缓冲结构紧贴水中隧道结构，能够避免导环与隧道管节碰撞，使得结构被破坏，对后期的抗渗防腐产生的隐患。

作为本发明的进一步改进，所述缓冲结构为填充气囊，所述填充气囊形成包覆空间，将所述水中隧道结构部分包覆。

本技术方案中，利用包覆的结构，使得两者紧紧贴合，气囊将内部的隧道包覆，形成保护环，避免了水中隧道结构被其他部分破坏，确保了整个的隧道的完整性。

作为本发明的进一步改进，所述锚索单元工作时，沿着所述水中隧道结构的外周以及下部，所述锚索单元至少两个方向的锚索力，以实现锚索。

本技术方案中，沿着外周和下部分别设置多个方向的锚索力，进而整个的锚索力更强。截面四根锚索的固定形式，当受到水流作用力时，一侧的斜线和直线锚索将同时受力张拉，提供水平和垂直向的移动限位，有效改善了单一的“八字型”或“平行线”的双锚索形式抗水体浑流扰动能力差、结构体来回摆动幅度大等问题。

作为本发明的进一步改进，所述锚索单元包括垂直于基床的第一锚索以及设置于水中隧道结构侧部的第二锚索。

具体设置时，本技术方案中，通过垂直和侧部设置，垂直能够直接作用于悬浮隧道，进而扰动能力好，结构来回摆动幅度小，隧道浮力足够大时，仍然能够保证固定隧道的作用。两直、两斜锚索张拉结构，宜用高强度、高韧性、轻重量的新型高分子材料，材料抗拉强度不小于80Mpa。

作为本发明的进一步改进，所述第一锚索和第二锚索均为2N个，所述N为大于等于1的自然数，以所述水中隧道结构与基床垂直方向为对称轴，2N个所述第一锚索和2N个所述第二锚索均对称设置。

本技术方案中，至少有四个锚定结构，即采用单截面四根锚索固定，改善了“八字型”双锚索形式抗水体浑流扰动能力差、结构体来回摆动幅度大等问题。

作为本发明的进一步改进，所述水中隧道结构通过若干节的第一预制管节对接而成，所述抗浮导环为若干个，每个所述第一预制管节长度的中间位置处套设一个所述抗浮导环。

本技术方案中，在每个预制管节上设置一个抗浮导环，目的在于避免导环与隧道管节两两刚性碰撞，破坏结构整体性，对结构的抗渗防腐产生严重隐患。

作为本发明的进一步改进于，所述基床上设有若干管桩，所述锚索单元与若干个所述管桩中至少部分连接，若干所述管桩中，位于基床上游的管桩壁厚大于位于基床下游的管桩壁厚。

本技术方案中，与现有技术相比，采用了管桩基础为大直径、厚壁、耐腐蚀基础结构，管桩强度宜根据水流方向的不同进行设计，上游较下游强度大，管桩施工前应做好结构受力计算、防腐设计及相关试验。

作为本发明的进一步改进，所述锚索单元上设置有标识单元，所述标识单元靠近所述抗浮导环设置。

本技术方案中，设置标识单元，将缆索托起至水面，待隧道管节水下对接完成后，将缆索连接到相应的隧道管节。每个浮漂均根据管节编号而相应编号。用于管桩下沉就位、悬浮隧道水下对接成功后，顺利将锚索上端与“抗浮导环”连接固定。

作为本发明的进一步改进，所述标识单元采用漂浮结构构成，所述漂浮结构上设置有夜间反光装置，所述夜间反光装置形成编码或编号。

本技术方案中，设置夜间反光装置，目的是为了通航安全。缆索漂浮的设置是为了将缆索牵引出水面，待隧道管节下沉就位后，将锚索挂于抗浮导环之上。

附图说明

图1为本发明提供的一种悬浮隧道结构的平面示意图；

图2为本发明提供的一种悬浮隧道结构的断面图；

图3为本发明提供的锚索单元的结构示意图；

图4为本发明提供的抗浮导环的结构示意图；

图5为本发明提供的一种悬浮隧道结构的施工剖面图；

图中：

100、岸上隧道结构；110、第二预制管节；200、水中隧道结构；210、第一预制管节；300、岸彼；400、抗浮导环；410、外壁；420、缓冲结构；430、挂耳；500、锚索单元；510、第一锚索；520、第二锚索；600、管桩；700、井口装置；10、管节预制厂；20、船坞；30、浮漂；A、涉水区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例中以核心结构为主进行介绍。

具体地，参照附图1-5所示，本实施例中的一种悬浮隧道结构，包括，

岸上隧道结构100，所述岸上隧道结构100设置于涉水区域A两侧的岸坡位置；

水中隧道结构200，所述水中隧道结构200横穿涉水区域A，并连通所述涉水区域A两侧的岸坡位置处的所述岸上隧道结构100；

抗浮导环400，所述抗浮导环400套设于所述水中隧道结构200上，并将水中隧道结构200部分包覆；

所述抗浮导环400包括双层的环形结构，所述双层的环形结构中，远离水中隧道结构的外壁410为刚性结构，所述双层的环形结构内设置有缓冲结构420；

锚索单元500，所述锚索单元500用于水中隧道结构200在基床上的锁定，所述锚索单元500通过抗浮导环400的刚性结构实现水中隧道结构的锚定。

本实施例中，通过增加的设置“抗浮导环”结构，有别于以往锚索直接锚固在隧道结构上的锚索式悬浮隧道，“抗浮导环”是独立于隧道结构体的，其外包于隧道体外，横截面结构与隧道结构一致。该结构的设置避免了锚索与隧道结构直接接触，有利于隧道结构本体的保户与防腐。

本实施例，“抗浮导环”外为刚性结构，内嵌缓冲结构(如充气气囊)，与隧道体紧紧包裹，设于每段管节的中间部位，施工时，与隧道管节一同入水。缓冲结构能够确保在受到重大冲击等作用时，整个悬浮隧道结构的稳定性，避免摇晃等。

本实施例中，锚索单元通过抗浮导环实现锚定，不会直接锚定到隧道上，进而锚索过程中，既能够锁定悬浮隧道，又不会直接牵引或者与悬浮隧道连接，减少了锚定中对其的磨损等。

实施例2

本实施例中，以缓冲结构以及锚索单元为主进行介绍。

首先，介绍缓冲结构。

具体地，所述缓冲结构嵌设于所述环形结构内，使用时，所述缓冲结构紧贴所述水中隧道结构，以实现抗浮。

本实施例中，利用内嵌的缓冲结构，进而在进行接触时，由于缓冲结构紧贴水中隧道结构，能够避免导环与隧道管节碰撞，使得结构被破坏，对后期的抗渗防腐产生的隐患。

进一步地，所述缓冲结构为填充气囊，所述填充气囊形成包覆空间，将所述水中隧道结构包覆。

本实施例中，利用包覆的结构，使得两者紧紧贴合，气囊将内部的隧道包覆，形成保护环，避免了水中隧道结构被其他部分破坏，确保了整个的隧道的完整性。采用的填充气囊，缓冲作用比较强，能够对其内包覆的水中隧道部分环绕，形成保护衣，实现对其保护。

其次，对本实施例中的锚索单元进行介绍。

具体地，参照附图3所示，本实施例中，所述锚索单元500工作时，沿着所述水中隧道结构200的外周以及下部，所述锚索单元500至少两个方向的锚索力，以实现锚索。

本实施例中，沿着外周和下部分别设置多个方向的锚索力，进而整个的锚索力更强。截面四根锚索的固定形式，当受到水流作用力时，一侧的斜线和直线锚索将同时受力张拉，提供水平和垂直向的移动限位，有效改善了单一的“八字型”或“平行线”的双锚索形式抗水体浑流扰动能力差、结构体来回摆动幅度大等问题。

具体地，所述锚索单元500包括垂直于基床的第一锚索510以及设置于水中隧道结构200侧部的第二锚索520。

本实施例中，通过垂直和侧部设置，垂直能够直接作用于悬浮隧道，进而扰动能力好，结构来回摆动幅度小，隧道浮力足够大时，仍然能够保证固定隧道的作用。本实施例中，多个垂直结构、多个倾斜结构构成的锚索张拉结构，宜用高强度、高韧性、轻重量的新型高分子材料，材料抗拉强度不小于80Mpa。

进一步地，为了确保均匀受力，所述第一锚索510和第二锚索520均为2N个，沿所述水中隧道结构200的中心与基床垂直方向，2N所述第一锚索510和2N所述第二锚索520均对称设置。

本实施例中，一共只有四个锚定结构，即采用单截面四根锚索固定，改善了“八字型”双锚索形式抗水体浑流扰动能力差、结构体来回摆动幅度大等问题。同时，八字型结构呈辐射状，与基床呈夹角设置，锚定力虽然强，但是出现水流扰动时，抗扰动性能差，容易引起结构的来回摆动。

具体地，所述刚性结构上设置有挂耳430，所述锚索单元500通过所述挂耳430与所述抗浮导环400连接。

本实施例中，通过挂耳这一简单结构，即实现了抗浮导环与基床的锚定，具体地，沿着垂直面看，挂耳设置于下方的水中。锚索挂耳不与隧道管节直接接触，亦保护了隧道结构完整性，有利于结构的防渗防腐工作。

实施例3

本实施例中，以结构组成等为主进行介绍。

具体地，参照附图1-5所示，所述水中隧道结构200通过若干节的第一预制管节210对接而成，所述抗浮导环400为若干个，每个所述第一预制管节210长度的中间位置处套设一个所述抗浮导环400。

本实施例中，在每个预制管节上设置一个抗浮导环，目的在于避免导环与隧道管节两两刚性碰撞，破坏结构整体性，对结构的抗渗防腐产生严重隐患。

进一步地，所述基床上设有若干管桩600，所述锚索单元500与若干所述管桩600中至少部分连接，若干所述管桩600中，位于基床上游的管桩600壁厚大于位于基床下游的管桩600壁厚。

本实施例中，与现有技术相比，采用了管桩基础为大直径、厚壁、耐腐蚀基础结构，管桩强度宜根据水流方向的不同进行设计，上游较下游强度大，管桩施工前应做好结构受力计算、防腐设计及相关试验。

进一步地，所述管桩600上设有井口装置700，所述锚定单元500与所述井口装置700连接。

本实施例中，管桩的顶部设置缆索与桩基连接的“井口”装置，待管桩基础安装就位后，锚索与“井口”连接成整体下水与管桩基础连接。同时，管桩的顶端设置显眼的“浮漂”，将缆索托起至水面，待隧道管节水下对接完成后，将缆索连接到相应的隧道管节。

进一步地，所述井口装置700为直径大于管桩直径的柱状腔体结构，所述柱状腔体结构的两侧，分别设置有锁紧单元。

本实施例中，井口为管桩基础与锚索的连接结构，设置于管桩基础顶部，为等截面圆柱体，直径大于管桩基础。柱体上下口皆设置液压式锁紧装置，下口锁紧装置用于套牢管桩基础，上口锁紧装置用于紧固锚索。待管桩基础安装就位后，利用高清水下摄像机辅助井口安装。

进一步地，所述锚索单元500上设置有标识单元，所述标识单元靠近所述抗浮导环设置。

本实施例中，设置标识单元，将缆索托起至水面，待隧道管节水下对接完成后，将缆索连接到相应的隧道管节。每个浮漂均根据管节编号而相应编号。用于管桩下沉就位、悬浮隧道水下对接成功后，顺利将锚索上端与“抗浮导环”连接固定。

进一步地，所述标识单元采用漂浮结构构成，所述漂浮结构上设置有夜间反光装置，所述夜间反光装置形成编码或编号。本实施例中，设置夜间反光装置，目的是为了通航安全。缆索漂浮的设置是为了将缆索牵引出水面，待隧道管节下沉就位后，将锚索挂于抗浮导环之上。而进一步地，夜间反光装置，目的在于当黑暗环境或夜间使用或工作时，仍然能顺利将锚索上端与“抗浮导环”连接固定。

实施例4

本实施例中的悬浮隧道结构形式采用“圆形单管道、大直径管桩、多缆索锚固”的预制抗浮管节对接成型结构。参照附图1-5所示，具体如下：

1)管节预制厂：本发明隧道管节采用预制结构，陆域斜坡段拟采用顶管安装方案，因此管节预制厂拟建于两端隧道结构的始发段起点，用于预制陆域侧管节。具体地，管节预制为水中隧道结构200和岸上隧道结构100两部分，可以通过不同的厂房，用于匹配不同的预制管节，比如岸上隧道结构，在岸上直接设置，用于生产构成岸上隧道结构的第二预制管节110，而水中隧道结构，在隧道的端部设置，用于生产第一预制管节210.

2)管节运输通道(陆域斜坡道段)：该段为岸侧道路与水中隧道的连接段，具有一定坡度，采用顶管法施工。

3)管节接岸结构：该结构为陆域斜坡段隧道管节与水中隧道管节对接结构，此处隧道管节较陆域标准节长，为18m，其中陆上锚固段15m，水中悬浮段3m，便于水中悬浮管节的对接施工。由于该结构将陆域侧固定隧道体与水中侧扰动隧道体连接，为结构受力集中点，拟设工程所在地水流速度为3m/s，则该悬浮段受剪力为157.68KN，抗剪强度值3.285Mpa，抗弯、抗剪强度极高，对接精度要求极高。4)岸坡300：此为悬浮隧道两岸的岸坡结构，悬浮隧道经过的岸坡因做固坡处理，防止隧道顶管过程中造成边坡失稳，地基下陷。

5)已安装管节：待安装管节采用多节段水上拼接，同步下潜与已安装管节进行水下对接。待安装管节采用注水下沉工艺实现同步下潜，并通过水位控制隧道结构的垂直高度，由方驳牵引控制水平方位，通过水下机器人可视化技术，全方位GPS定位系统就位安装。

6)抗浮导环400：其独立于隧道结构体，其截面结构与隧道管节一致，外包于隧道结构外侧。其外围为刚性结构，最外侧设锚索挂耳，内嵌缓冲结构(如充气气囊)，与隧道体紧紧包裹，锚索通过挂耳将隧道结构与桩基连接。每段隧道管节设置四个抗浮导环，两端导环距离管节端部4.5m，中间导环间距为9m，施工时，与隧道管节一同入水。

7)缆索上的浮漂30：设置于锚索单元500的顶端，漂浮于水面，采用轻质可漂浮材料结构，外观应明亮、显眼，设有夜间反光装置，每个浮漂均根据管节编号而相应编号。用于管桩下沉就位、悬浮隧道水下对接成功后，顺利将锚索上端与“抗浮导环”连接固定。

8)管节接头：本发明管节接头分水上对接接头和水下对接接头两种。水上对接接头在船坞预制厂完成，为干环境对接，多节段隧道拼接成多个小整体段，出坞浮运至施工现场；水下对接接头在水下对接施工时完成，局部整体隧道管节同步注水下沉，方驳牵引就位后，实现水下管节对接施工，水下对接施工难度大，精度要求高，为悬浮隧道施工中的重要难点。

9)船坞20：本发明主体结构包括水上和岸侧两部分，岸侧管节预制在隧道两端的预制厂完成，水上隧道管节则在桥址上游的船坞预制厂完成。管节预制完成后，多管节拼接成整体，采用拖轮拖带，管节密封浮运至施工现场。

10)拖轮：本发明中多节段隧道管节在船坞拼接完成后，坞内注水，预制管节浮运，由拖轮拖带出坞至施工现场。拖轮托运前，应做好航道勘探及通航保护，拖运过程中应控制好各艘拖轮的拖带力，以免管节受力不均而发生结构破坏。

11)待安装管节：本发明水中段悬浮隧道采用“水上拼装，水下对接”施工工艺。多节预制管节在船坞拼接成整体后，浮运至施工现场，整体同步注水下沉，方驳牵引，完成水下对接工作。

12)缓冲结构420：本发明隧道管节外围设置“抗浮导环”，导环内侧设“缓冲结构”，如充气气囊等，避免导环与隧道管节两两刚性碰撞，破坏结构整体性，对结构的抗渗防腐产生严重隐患。

13)锚索单元500：本发明锚索采用两直、两斜锚索张拉结构，宜用高强度、高韧性、轻重量的新型高分子材料，材料抗拉强度不小于80Mpa。锚索强度宜根据水流方向的不同进行设计，上游较下游强度大。锚索的底端通过“锚索井口”与管桩连接，与管桩下沉一同入水施工；顶端设置显眼的“浮漂”，将缆索托起至水面，待隧道管节水下对接完成后，将缆索连接到相应的隧道管节。

14)锚索的井口装置700：为管桩与锚索的连接结构，设置于管桩基础顶部，为等截面圆柱体，直径略大于管桩基础10cm。柱体上下口皆设置液压式锁紧装置，下口锁紧装置用于套牢管桩基础，上口锁紧装置用于紧固锚索。待管桩基础安装就位后，利用高清水下摄像机辅助井口安装。

15)管桩基础(管桩600)：本发明管桩基础为3000mm大直径、2.5mm厚壁、耐腐蚀基础结构，单根基础抗拔力不小于300T。管桩顶部设置卡环装置，用于井口下口锁紧装置限位。管桩强度宜根据水流方向的不同进行设计，上游较下游强度大，管桩施工前应做好结构受力计算、防腐设计及相关试验。

16)吊耳环(即挂耳430)：“抗浮导环”外侧设置锚索吊耳环，用于锚索与隧道结构连接，每个抗浮导环设置4个吊耳。锚索挂耳不与隧道管节直接接触，亦保护了隧道结构完整性，有利于结构的防渗防腐工作。

本实施例中的施工工艺如下：

1)陆侧隧道管节及管桩基础在陆上预制厂预制完成，水中隧道管节在船坞预制厂完成。

2)管桩基础与锚索连接后，驳船运输至施工现场，将管桩基础下沉入土或入岩，锚固稳定。锚索顶端设置具有相应编号的浮漂，做缆索标志。

3)陆域斜坡段隧道采用顶管法施工，从岸侧向水侧顶管推进，待终端管节破土入水至一定距离后停止推进。

4)水中悬浮隧道采用“水上拼接，整体注水下沉，水下对接”施工工艺。隧道管节在船坞预制完成为单个节段后，多个节段在干环境下拼接成小整体，管段两端密水封闭后，船坞注水，管段漂浮出坞，利用多艘拖轮拖带出运、系泊至施工现场。

5)隧道管节利用方驳粗定位后，向管节内注水下沉至设计标高，方驳牵引拖带实现水平对接安装。水下对接安装过程中，宜充分利用高科技可视化设备进行精准安装。

6)待小整节隧道管节水下安装就位后，采用水下机器人将锚索挂设至对应管节的抗浮导环上。

7)重复4～6步骤，从一端向另一端依次施工，直至所有隧道管节安装完成。

本发明的悬浮隧道结构具有现有桥梁和隧道所不具备的优势和特点：

第一，本发明悬浮隧道结构采用“圆形单管道、大直径管桩、多缆索锚固”的预制抗浮管节对接成型结构，是一种环境适应性友好的方案，较漂浮式悬浮隧道及双锚索张拉悬浮隧道在抗水流扰动能力上有显著提高，较墩台式悬浮隧道具有深水施工难度降低，施工可行性高的优势。

第二，本发明为抗浮式悬浮隧道，充分借助了构筑物在水中的浮力，减轻了结构的相对重量，对管桩基础、锚索结构及抗浮导环结构的强度要求大大降低，一旦技术成熟，大跨度深水环境下，悬浮隧道同桥梁、隧道相比具有显著的造价优势；

第三，本发明设置了独立于隧道结构的“抗浮导环”，其截面结构与隧道管节一致，外包于隧道结构外侧。其外围为刚性结构，最外侧设锚索挂耳，内嵌缓冲结构(如充气气囊)，与隧道体紧紧包裹，设于每段管节的中间部位。缓冲结构避免了导环与隧道管节两两刚性碰撞，以免破坏结构整体性，对结构的抗渗防腐产生严重隐患。锚索挂耳不与隧道管节直接接触，亦保护了隧道结构完整性，有利于结构的防渗防腐工作。

第四，本发明为两直、两斜的锚索张拉结构，锚索材料宜采用高强度、高韧性、轻重量的新型高分子材料。该结构根据水流方向，可设计为上游结构强度较下游大的形式，受力更合理，经济成本更低。同时，该锚索布置结构较一般的单纯的竖直或倾斜的锚索结构具有更好的抗倾覆、抗扰动的能力。

本发明采用单圆管锚固式悬浮隧道结构，在已有的悬浮隧道结构设计上，对基础形式、锚索受力、锚固体系进行了优化调整，具体内容如下：

①采用钢管桩基础，在深水环境下，相比“笨重”的重力式砼基础具有自重轻、施工方便、单桩抗拔性能高的优势。尤其是多种方式的组合结构，起结构更加轻便。

②锚固体系采用两直、两斜锚索张拉结构，四索结构能更均匀发散锚索张拉力，在受水流作用下，同时提供水平向和垂直向的限位，能更好的抵抗流体耦合效应。相比于单纯直线和倾斜的拉力，直线加倾斜的拉力，实现了力之间的平衡和限位，实现了大于单独两种组合之和，效果更好。

③锚索采用高强度、高韧性、轻重量的新型高分子材料，更便于锚固体系的张拉施工，且具有更好的抗腐蚀性。

④锚索与隧道管体通过抗浮导环连接，该导环独立于隧道结构，截面形状与隧道管节一致，为单个的圈状体，外包于隧道结构。导环外围为刚性结构，并预埋锚索挂耳，内侧嵌有缓冲结构(如充气气囊)，与隧道体紧紧包裹，设于每段管节的中间部位。该结构避免了锚索与隧道管体直接接触，不会导致隧道结构因应力集中而破损，起到有效缓冲作用。

进一步地，本发明中，为了实现悬浮隧道的锚索，主要做了以下改进：

①锚索张拉结构采用“双斜线+双平行线”单截面四根锚索的固定形式，当受到水流作用力时，一侧的斜线和直线锚索将同时受力张拉，提供水平和垂直向的移动限位，有效改善了单一的“八字型”或“平行线”的双锚索形式抗水体浑流扰动能力差、结构体来回摆动幅度大等问题；

②锚索基础采用大直径厚壁耐腐蚀钢管桩基础，桩基打入深海基床，根据结构受力预留足够的锚入长度。钢管桩基础具有自重轻、施工方便、单桩抗拔能力强等优点。

③设置“抗浮导环”结构，有别于以往锚索直接锚固在隧道结构上的锚索式悬浮隧道，“抗浮导环”是独立于隧道结构体的，其外包于隧道体外，横截面结构与隧道结构一致。“抗浮导环”外为刚性结构，最外侧设锚索挂耳，内嵌缓冲结构(如充气气囊)，与隧道体紧紧包裹，设于每段管节的中间部位，施工时，与隧道管节一同入水。该结构的设置避免了锚索与隧道结构直接接触，有利于隧道结构本体的保护与防腐。

④桩顶设置缆索与桩基连接的“井口”装置，待管桩基础安装就位后，锚索与“井口”连接后，整体下水与管桩基础连接。锚索顶端设置明显的有标号的浮漂装置，利于悬浮隧道结构就位后将锚索挂于“抗浮导环”挂耳之上。

本实施例中，当隧道结构为若干个时，若干个隧道结构通过接头单元进行连接，具体地，接头过程如下：

首先，采用“前凸后凹”的剪力键结构，即前一节隧道结构端头为“凸”字形，后一节与之对接的管节端头为“凹”字形，替代了传统的“平口”壳端的多齿剪力键，保障了接头结构的有效厚度，且结构更简单，具有更好的结构强度和抗扰稳性，对接施工也更便捷。

其次，根据接头安装的环境不同，采用水上对接接头(陆上干环境)和水下对接接头(水中湿环境)两种不同的接头形式。水上对接接头可在船坞预制时完成，待小节管段预制完成后，将两管段接口精准对接，通过排气阀排出负压真空腔内的空气，再安装内侧OMEGA止水带，张拉内侧高强预应力，最后外侧安装止水条并浇筑闭合。该结构施工便捷，真空腔和预应力筋保证了接头刚度，且具备良好的变形适用性。

再次，水下对接接头在水中动态环境安装，结构对接初稳可通过负压真空腔排气锁紧完成，外侧预应力由自动化液压千斤顶张拉紧固，在水下形成可抗流体扰动的稳定结构。待管段全部对接完成后，隧道进行逐一抽水形成干环境，安装内侧止水条、封闭连接板以及预应力筋，二次叠加结构强度形成最终的接头结构。

接头端面采用全覆盖式柔性密闭材料代替了端钢壳及GINA止水带，增加相邻两管节的密闭贴合面积，具有更好的密水效果；

最后，负压力真空腔和体外预应力对隧道整体结构形成双重强度保障，隧道管节在水中悬浮状态下对接施工过程中，通过两者的相互补强、相互制约，能更好的抵抗水流的扰动，大大提高管节对接的成功率。当待安装的隧道管节在水下与已安装的隧道管节实现初步对接后，首先，管节外侧的自动化体外预应力筋从已安装端伸向待安装端，就位后进行预张拉，张拉强度至设计值的80％，将相邻两个管节进行初级固定。然后，进行负压腔内的抽气作业，抽掉90％的气体。再将体外预应力筋张拉剩余设计值的10％。再后，抽去负压力腔内剩余10％的气体，形成真空腔。最后，将体外预应力剩余的10％设计值张拉完成。该循环操作可避免因负压力腔抽气过度而导致体外预应力破损。该接头形式比弱连接的柔性接头具有更好的强度和稳性，同时具有很好的韧性，比刚性接头能更好的释放水下扰动力。

本实施例中，接头单元分水上接头和水下接头两种，其结构组成如下：

①止水条：本发明止水条采用中埋式止水条，设置于水上对接接头外侧一周凹槽内，安装完成后浇筑混凝土进行封闭。

②密闭材料：在对接管节端面大面积设置，采用遇水膨胀密闭材料，遇水后微膨胀，能紧密贴合，具有良好的密水效果。

③Ω止水带：设置于管节端部内侧一周，采用钢板与螺栓紧固连接对接的两节管节。

④止水带固结结构：由钢板和螺栓组成，用于固定Ω止水带。

⑤负压真空腔：在对接的两节管节端面均设置“凹”字结构，形成空腔结构，由排气阀连通空腔与外界。水上接头待中埋式止水条、Ω止水带及内侧体外预应力施工完成后，通过排气阀将空腔内的水气排出，形成负压真空腔；水下接头待自动化体外预应力张拉完成后，通过排气阀将空腔内的水气排出，形成负压真空腔。

⑥内壁贴合钢板：该钢板设置于管节内侧，覆盖Ω止水带一周，在干环境下与Ω止水条固定结构焊接固定。

⑦体外预应力：设置于管节结构内侧，采用高强度预应力钢棒，在干环境下进行预应力张拉施工。

⑧现浇混凝土闭环：水上接头结构在管节外侧一周预留凹槽，待管节初步对接后，安装中埋式止水条后浇筑凹槽混凝土，形成刚性闭环。

⑨排气阀：连通负压真空腔和外界，采用高压抽气系统由空腔向外界单向排气。

⑩体外预应力(液压千斤顶)：设置于水下接头外侧，为全自动化预应力系统，液压千斤顶体系设置于已安装管节一侧。当待安装管节与已安装管节初步对接后，体外预应力机械臂伸向待安装管节对应位置，液压千斤顶收缩紧固。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种悬浮隧道结构，其特征在于，包括，

岸上隧道结构，所述岸上隧道结构设置于涉水区域两侧的岸坡位置；

水中隧道结构，所述水中隧道结构横穿涉水区域，并连通所述涉水区域两侧的岸坡位置处的所述岸上隧道结构；

抗浮导环，所述抗浮导环套设于所述水中隧道结构上，并将水中隧道结构部分包覆；

所述抗浮导环包括双层的环形结构，所述双层的环形结构中，远离水中隧道结构的外壁为刚性结构，所述双层的环形结构内设置有缓冲结构；

锚索单元，所述锚索单元用于水中隧道结构在基床上的锁定，所述锚索单元通过抗浮导环的刚性结构实现水中隧道结构的锚定。

2.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述缓冲结构嵌设于所述环形结构内，使用时，所述缓冲结构紧贴所述水中隧道结构，以实现抗浮。

3.根据权利要求2所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述缓冲结构为填充气囊，所述填充气囊形成包覆空间，将所述水中隧道结构部分包覆。

4.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述锚索单元工作时，沿着所述水中隧道结构的外周以及下部，所述锚索单元至少两个方向的锚索力，以实现锚索。

5.根据权利要求4所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述锚索单元包括垂直于基床的第一锚索以及设置于水中隧道结构侧部的第二锚索。

6.根据权利要求5所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述第一锚索和第二锚索均为2N个，所述N为大于等于1的自然数，以所述水中隧道结构与基床垂直方向为对称轴，2N个所述第一锚索和2N个所述第二锚索均对称设置。

7.根据权利要求1所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述水中隧道结构通过若干节的第一预制管节对接而成，所述抗浮导环为若干个，每个所述第一预制管节长度的中间位置处套设一个所述抗浮导环。

8.根据权利要求7所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述基床上设有若干管桩，所述锚索单元与若干个所述管桩中至少部分连接，若干所述管桩中，位于基床上游的管桩壁厚大于位于基床下游的管桩壁厚。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述锚索单元上设置有标识单元，所述标识单元靠近所述抗浮导环设置。

10.根据权利要求9所述的一种悬浮隧道结构，其特征在于，所述标识单元采用漂浮结构构成，所述漂浮结构上设置有夜间反光装置，所述夜间反光装置形成编码或编号。

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