本发明涉及一种水下悬浮隧道,具体涉及一种水下悬浮隧道的浮重比调节系统。
背景技术：
水中悬浮隧道，英文名称为“submergedfloatingtunnel”，简称“sft”。在意大利又称“阿基米德桥”，简称“pda”桥。一般由浮在水中一定深度的管状体(该管状体的空间较大，足以适应道路和铁道交通的要求)、支撑系统(锚固在海底基础上的锚缆、墩柱或水上的浮箱)及与两岸的构筑物组成。它是交通运输工具跨越被深水分隔的两岸之间的一种新型结构物，适用于所有需在水中穿行的交通运载工具，可通行火车、汽车、小型机动车和行人，还可以做成穿行各种管道和电缆的服务通道。水中悬浮隧道和传统的沉埋隧道或掘进隧道的区别是：悬浮隧道结构被水包围着，既不是位于地层上也不穿越地层，而是主要依靠其自身结构的重力、结构受到的浮力以及支撑系统的锚固力来保持在固定的位置上。悬浮隧道四周密封，这种结构具有普通隧道的所有特点，从使用的观点来看应被认为是“隧道”而不是“桥梁”。
悬浮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。悬浮隧道修建在水下一定深度，相比于水面敞开式通道和轮渡运输，恶劣的风浪、雾、雨、雪等天气不会对悬浮隧道的全天候运营带来影响。在保证相同通航能力的前提下，与桥梁相比悬浮隧道的坡度较为平缓而且总长度也减小，悬浮隧道在修建过程和投入使用都不会对环境和自然景观造成影响；当超过一定的跨度和水深时，悬浮隧道的单位造价不会随着跨越通道长度或水道深度的增加有显著提高，而斜拉桥和悬索桥的单位造价则会随着跨度的增加明显地增加。
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，至今尚无建成的悬浮隧道。目前世界上主要有七个国家(挪威、意大利、日本、中国、瑞士、巴西、美国)在研究，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。这些问题能否解决，决定了悬浮隧道能否从可行性方案走向实际工程。
迄今为止，悬浮隧道研究中，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。
为了使悬浮隧道的受力更为合理，减小施工期不利海况的影响，更有利于施工期的控制、营运期的维护与零部件更换，提出了一种水下斜拉式悬浮隧道结构及隧道管节顶推安装的施工方法。水下斜拉式缆索体系悬浮隧道由水中悬浮隧道1、接岸结构2、斜拉索锚碇系统、浮重比调节系统、防撞警示系统、逃生系统、隧道附属设施等组成。水中悬浮隧道1与接岸结构2相连，通过陆域斜坡隧道6与地面道路连接；水中悬浮隧道1上设斜拉索3并固定于隧道两侧岸5上的拉索锚碇墩4上形成稳定的受力体系(见图1和图2)。水中悬浮隧道1由多段预制的管节连接而成。水中悬浮隧道1的管节顶推施工方法为：所有的管节在隧道陆域进口或出口的后方预制场预制后，经由陆域斜坡隧道6运输至接岸结构2内，依次进行管节对接、二次舾装和密封入水，然后逐段顶推至对岸的接岸结构2内，顶推完成后，在接岸结构2内浇灌接岸段管节外表面的混凝土，完成水中悬浮隧道1两端的管节与接岸结构2的固结。
管节水下顶推时，要求浮重比略大于1并接近1，顶推完成后，通过浮重比调节系统调节浮重比至设计值。隧道运营期，由于超载、海洋附着物的产生等，隧道管节浮重比将发生变化。籍此需要提出一种与水下斜拉式悬浮隧道结构及施工方法相对应的浮重比调节系统。
技术实现要素：
本发明的目的在于填补现有技术的空白而提供一种水下悬浮隧道的浮重比调节系统，它能用于隧道营运期的超载处理、拉索更换、渗漏修补等工况下水中悬浮隧道的浮重比调节。
本发明的目的是这样实现的：一种水下悬浮隧道的浮重比调节系统，所述水下悬浮隧道包括隧道本体和一对接岸结构；所述隧道本体包括水中悬浮隧道和陆域斜坡隧道；所述水中悬浮隧道由多段预制的管节连接而成，水中悬浮隧道两端的接岸段管节一一对应地固结在一对接岸结构内；每段管节内均通过上隔板和下隔板分隔成上层空间、中层空间和下层空间，上层空间为工艺室；中层空间为交通室；下层空间为给排水室；
所述浮重比调节系统包括隧道管节内浮重比调节系统和接岸结构内浮重比调节系统；其中，
所述隧道管节内浮重比调节系统布置在每段管节的给排水室内并包括设在每段管节的给排水室内的排水装置、给水装置和水位监测仪；每段管节的给排水室内纵向设置一道中隔墙和两道边隔墙；两道边隔墙的底部间隔地开设排水孔；每段管节内的给排水室内还在纵向中部设置一道中横隔墙，每段管节的给排水室的两端各自设置一道端横隔墙，使每段管节的给排水室被分隔成四个中隔舱和四个边隔舱；一道中横隔墙和两道端横隔墙的顶部各自设置溢水通道；
所述排水装置包括一组排水管道与一组潜水泵；排水管道纵向布置在所述中隔墙的两侧面的上部，并且排水管道的起点位于每段管节的纵向中部；潜水泵设在与排水管道的起点对应的中隔舱的底部，潜水泵均通过出水软管一一对应地与排水管道相接；
所述给水装置包括一组各自纵向设在两道边隔墙的外侧面的上部的给水管道；
所述水位监测仪布置在所述中隔墙的一个侧面上；
所述接岸结构浮重比调节系统布置在一对接岸结构内的水泵房内；
所述水泵房横向设在接岸结构内的管节对接段的一侧，该水泵房与固结在接岸结构内的接岸段管节的给排水室之间通过输水廊道连通；与输水廊道的起点连接的给排水室内的排水管道的出口端和给水管道的进口端各自设置自动控制阀门，与输水廊道的终点连接的水泵房的出口端设置自动控制闸门；所述水泵房自下向上分为蓄水室、输水廊道室、供水阀室和动力与监控室；
所述蓄水室的最大蓄水量为两段管节的给排水室的容水量，该蓄水室的墙体上设置用于计量的水尺；所述给排水室中的排水管道的末端连接到蓄水室；蓄水室内设置给水泵、排水泵、外排水管道和外给水管道；所述给水泵与所述给排水室中的给水管道的末端连接；所述排水泵与外排水管道连接，用于向蓄水室外排出多余的水；所述外给水管道用于向蓄水室内供水；
所述输水廊道室的高度与所述输水廊道的高度相同；
所述供水阀室的高度不小于2.0m，供水阀室内设置供水阀及水表；
所述动力与监控室的高度不小于2.8m，动力与监控室内设置动力电机及电脑监控设备。
上述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其中，所述下隔板的顶面两边各自纵向开设一条排水明沟；两条排水明沟上均设置格栅式盖板，两条排水明沟的底部对应两道边隔墙上的排水孔间隔地设置地漏，并沿给排水室的两边墙的内侧面设置连接地漏与排水孔的水落槽。
上述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其中，所述给排水室内的底部间隔地设置若干道高度为0.5m的矮横隔墙。
上述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其中，所述排水明沟的底部间隔5m设置地漏；所述落水槽的侧墙高度为0.2m。
上述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其中，所述排水管道各自通过型钢桥架纵向架设在所述中隔墙的两侧面的上部；所述给水管道各自通过型钢桥架纵向架设在两道边隔墙的外侧面的上部。
上述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其中，所述输水廊道的顶部高度与所述给排水室的顶部高度相同，输水廊道的底部比给排水室的底部低1m；给排水室的出口处的输水廊道以水平向的半圆弧形连接到水泵房的出口端，半圆弧形的半径为给排水室的最大宽度。
本发明的水下悬浮隧道的浮重比调节系统具有以下特点：
1)本发明的浮重比调节系统适用于各种水下悬浮隧道的结构型式，尤其适用于采用顶推安装工艺的悬浮隧道结构；
2)本发明的接岸结构内的水泵房在悬浮隧道营运期可用作悬浮隧道内部监控室；
3)本发明的浮重比调节系统可在施工期与营运期对悬浮隧道浮重比进行调节；
4)本发明的浮重比调节系统可用于悬浮隧道营运期进行漏水等应急处置。
附图说明
图1是水下斜拉式悬浮隧道的平面图；
图2是水下斜拉式悬浮隧道的纵剖面图；
图3是本发明的隧道管节内浮重比调节系统的断面图；
图4是本发明的隧道管节内浮重比调节系统的纵剖面图；
图5是本发明的接岸机构内浮重比调节系统的纵剖面图；
图6是本发明的接岸机构内浮重比调节系统的平面图；
图7是本发明的接岸机构内浮重比调节系统的给排水管道与水泵房的连接结构图；
图8是本发明的接岸机构内浮重比调节系统的输水廊道与水泵房的断面图。
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，本发明的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，适用的水下悬浮隧道包括隧道本体、一对接岸结构2和浮重比调节系统；隧道本体包括水中悬浮隧道1和陆域斜坡隧道6；水中悬浮隧道1由多段预制的管节连接而成；水中悬浮隧道1两端的接岸段管节一一对应地固结在一对接岸结构2内。
每段管节内均通过上隔板1a和下隔板1b分隔成上层空间、中层空间和下层空间，上层空间为工艺室，用于布置供电和通风设施；中层空间为交通室，用于车辆通行；下层空间为给排水室10，因此下隔板1b即作为水中悬浮隧道1的路面板。
本发明的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，既要满足悬浮隧道施工期管节水下顶推安装工艺要求，又要满足隧道营运期超载处理、拉索更换、渗漏修补等工况下悬浮隧道的浮重比调节。
本发明的浮重比调节系统包括隧道管节内浮重比调节系统和接岸结构内浮重比调节系统；
隧道管节内浮重比调节系统布置在每段管节的给排水室10内并包括设在每段管节的给排水室10内的排水装置、给水装置和水位监测仪；每段管节的给排水室10内纵向设置一道中隔墙11和两道边隔墙12；两道边隔墙12的底部间隔地开设排水孔120；每段管节的给排水室10内还在纵向中部设置一道中横隔墙13，在每段管节的给排水室10的两端各自设置一道端横隔墙14，使每段管节的给排水室10被分隔成四个中隔舱1b和四个边隔舱1c；一道中横隔墙13和两道端横隔墙14的顶部各自设置溢水通道140；每段管节的给排水室10内的底部还间隔地设置若干道高度为0.5m的矮横隔墙15；
下隔板1b的顶面两边各自纵向开设一条排水明沟16；每条排水明沟16均设置格栅式盖板，每条排水明沟16的底部对应边隔墙12上的排水孔120间隔5m设置地漏；沿给排水室10的两边墙的内侧面设置连接地漏与排水孔120的水落槽17，落水槽17的侧墙高度为0.2m；
排水装置包括一组排水管道21与一组潜水泵23；排水管道21均采用无缝钢管并各自通过型钢桥架22纵向架设在中隔墙11的两侧面的上部，并且排水管道21的起点位于每段管节的纵向中部，排水管道21的出口端位于接岸结构2内的输水廊道的起点位置；潜水泵23设在与排水管道21的起点对应的两个中隔舱1b的底部，潜水泵23均通过出水软管一一对应地与排水管道21相接；
给水装置包括一组给水管道24，该一组给水管道24采用球墨铸铁管并各自通过型钢桥架25纵向架设在两道边隔墙12的外侧面的上部；
水位监测仪26布置在中隔墙11的一个侧面上。
接岸结构内浮重比调节系统布置在水泵房30内；
水泵房30横向设在接岸结构2内的管节对接段的一侧，水泵房30与固结在接岸结构2内的接岸段管节的给排水室10之间通过输水廊道35连通；输水廊道35的顶部高度与给排水室10的顶部高度相同，输水廊道35的底部比给排水室10的底部低1m；与输水廊道35的起点连接的给排水室10内的两根排水管道21的出口端和给水管道24的进口端各自设置自动控制阀门36，与输水廊道35的终点连接的水泵房30的出口端设置自动控制闸门37；给排水室10的出口处的输水廊道35呈水平向的半圆弧形连接到水泵房30的进口端，半圆弧形的半径为给排水室10的最大宽度；该水泵房30自下向上分为蓄水室31、输水廊道室32、供水阀室33和动力与监控室34；
蓄水室31的最大蓄水量为两段管节的给排水室10的容水量，在蓄水室31的墙体上设置用于计量的水尺；给排水室10中的两根排水管道21的末端连接到蓄水室31；蓄水室31内设置给水泵311、排水泵312、外排水管道313和外给水管道314；给水泵311与给排水室10中的给水管道24的末端连接；排水泵312与外排水管道313连接，用于向蓄水室31外排出多余的水；外给水管道314用于向蓄水室31内供水；
输水廊道室32的高度与输水廊道35的高度相同；
供水阀室33的高度不小于2.0m，供水阀室33内设置供水阀及水表；
动力与监控室34的高度不小于2.8m，动力与监控室34内设置动力电机及电脑监控设备38。
本发明的浮重比调节系统是保持悬浮隧道的漂浮深度和稳定的保障系统，按照水中悬浮隧道1的浮重比近似于1能保证水中悬浮隧道1施工时的重力平衡以及基本固定的漂浮深度；营运期通过浮重比自动调节系统来平衡由于海中附着物生成等因素导致的隧道重力的变化。
本发明的浮重比调节系统采用压舱水配重自动调节的方式，而水的流动性可能会导致水中悬浮隧道内的水向单侧流动，造成水中悬浮隧道1横、纵向稳定性降低，即自由液面问题。因此，在每段管节的给排水室10中通过一道中隔墙11、两道边隔墙12、一道中横隔墙13和两道端横隔墙14分隔成四个中隔舱1c和四个边隔舱1d。一道中隔墙11和两道边隔墙12沿隧道轴线方向通长布置，一方面作为路面荷载的承重结构，另一方面作为横断面分隔，便于保持水中悬浮隧道1的横向稳定；两道边隔墙12的底部向上1.5m左右开设排水孔120，考虑到隧道漏水风险，排水孔120的纵向间距按5m左右设置。一道中横隔墙13和两道端横隔墙14用于阻断水中悬浮隧道1内的水体自由液面，以增加水中悬浮隧道1的纵向稳定性。两道端横隔墙14作为封堵墙，保证每段管节内的压舱水不会外泄，同时在一道中横隔墙13和两道端横隔墙14的顶部均预留溢水通道140。
接岸结构2内的给排水室10主要有三部分功能，一是隧道管节内浮重比调节系统中的给排水管道通过给排水室10连接到水泵房30；二是接岸结构2的地下渗水的排水功能；三是作为每段管节内的压舱水自排至输水廊道35的通道。
输水廊道35为给排水室10与水泵房30之间的水平向联络通道。
本发明的浮重比调节系统，通过排水装置将每段管节内的水排向接岸结构2内的蓄水室31。通过给水装置将蓄水室31内的水向每段管节内的给排水室10的各个隔舱内灌水压载，以调节浮重比。水位监测仪26用于自动监测每段管节内的给排水室10内的水位高度。
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。
1.一种水下悬浮隧道的浮重比调节系统，所述水下斜拉式悬浮隧道包括隧道本体和一对接岸结构；所述隧道本体包括水中悬浮隧道和陆域斜坡隧道，水中悬浮隧道由多段预制的管节连接而成；水中悬浮隧道两端的接岸段管节一一对应地固结在一对接岸结构内；每段管节内均通过上隔板和下隔板分隔成上层空间、中层空间和下层空间，上层空间为工艺室；中层空间为交通室；下层空间为给排水室；其特征在于，
所述浮重比调节系统包括隧道管节内浮重比调节系统和接岸结构内浮重比调节系统；
所述隧道管节内浮重比调节系统布置在每段管节的给排水室内并包括设在每段管节的给排水室内的排水装置、给水装置和水位监测仪；每段管节的给排水室内纵向设置一道中隔墙和两道边隔墙；两道边隔墙的底部间隔地开设排水孔；每段管节内的给排水室内还在纵向中部设置一道中横隔墙，每段管节的给排水室的两端各自设置一道端横隔墙，使每段管节的给排水室被分隔成四个中隔舱和四个边隔舱；一道中横隔墙和两道端横隔墙的顶部各自设置溢水通道；
所述排水装置包括一组排水管道与一组潜水泵；排水管道纵向布置在所述中隔墙的两侧面的上部，并且排水管道的起点位于每段管节的纵向中部；潜水泵设在与排水管道的起点对应的中隔舱的底部，潜水泵均通过出水软管一一对应地与排水管道相接；
所述给水装置包括一组各自纵向设在两道边隔墙的外侧面的上部的给水管道；
所述水位监测仪布置在所述中隔墙的一个侧面上；
所述接岸结构浮重比调节系统布置在一对接岸结构内的水泵房内；
所述水泵房横向设在接岸结构内的管节对接段的一侧，该水泵房与固结在接岸结构内的接岸段管节的给排水室之间通过输水廊道连通；与输水廊道的起点连接的给排水室内的排水管道的出口端和给水管道的进口端各自设置自动控制阀门，与输水廊道的终点连接的水泵房的出口端设置自动控制闸门；所述水泵房自下向上分为蓄水室、输水廊道室、供水阀室和动力与监控室；
所述蓄水室的最大蓄水量为两段管节的给排水室的容水量，该蓄水室的墙体上设置用于计量的水尺；所述给排水室中的排水管道的末端连接到蓄水室；蓄水室内设置给水泵、排水泵、外排水管道和外给水管道；所述给水泵与所述给排水室中的给水管道的末端连接；所述排水泵与外排水管道连接，用于向蓄水室外排出多余的水；所述外给水管道用于向蓄水室内供水；
所述输水廊道室的高度与所述输水廊道的高度相同；
所述供水阀室的高度不小于2.0m，供水阀室内设置供水阀及水表；
所述动力与监控室的高度不小于2.8m，动力与监控室内设置动力电机及电脑监控设备。
2.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其特征在于，所述下隔板的顶面两边各自纵向开设一条排水明沟；两条排水明沟上均设置格栅式盖板，两条排水明沟的底部对应两道边隔墙上的排水孔间隔地设置地漏，并沿给排水室的两边墙的内侧面设置连接地漏与排水孔的水落槽。
3.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其特征在于，所述给排水室内的底部间隔地设置若干道高度为0.5m的矮横隔墙。
4.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其特征在于，所述排水明沟的底部间隔5m设置地漏；所述落水槽的侧墙高度为0.2m。
5.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其特征在于，所述排水管道各自通过型钢桥架纵向架设在所述中隔墙的两侧面的上部；所述给水管道各自通过型钢桥架纵向架设在两道边隔墙的外侧面的上部。
6.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道的浮重比调节系统，其特征在于，所述输水廊道的顶部高度与所述给排水室的顶部高度相同，输水廊道的底部比给排水室的底部低1m；给排水室的出口处的输水廊道以水平向的半圆弧形连接到水泵房的出口端，半圆弧形的半径为给排水室的最大宽度。
技术总结