CN104532876A - 一种基于刚性载体深海潜水式隧道 - Google Patents

Abstract

一种基于刚性载体深海潜水式隧道，属于深海跨线交通和联通工程，是一种将传统海底隧道、渡槽和桥梁相结合并改进，形成一种具有刚度较大并可拼装拆卸的潜水式隧道。潜水式隧道的管体采用节段拼装法并嵌套于支撑渡槽内，隧道管体节段端口接头的设计使管体后期可替换或拆卸并浮运回陆地维修。隧道管体节段端口的闸门设计使部分管体拆卸维修使避免隧道管体发生渗水。因此，本次发明的一种基于刚性载体深海潜水式隧道是一种通过增大结构的载体刚度使其适应于深海并具有较大跨越能力，且具有可拆卸替换功能的潜水式隧道。

Description

一种基于刚性载体深海潜水式隧道

技术领域

本发明涉及一种基于刚性载体深海潜水式隧道，是一种将传统海底隧道、渡槽和桥梁相结合并改进，形成一种具有刚度较大并可拼装拆卸的潜水式隧道。本发明的一种基于刚性载体深海潜水式隧道所属深海高架隧道、水中悬浮隧道、海底悬跨管道及深海管涵技术领域。本发明的结构特点包括隧道管体、隧道载体和支撑结构及连接装置。本发明的技术特点不仅可以有效地增大潜水式隧道在海中的刚度并避免深海层流或洋流的作用而产生过大变形，还能增大潜水式隧道的跨越能力，使潜水式隧道能适用于崎岖或有较深海沟分布的海床。因此，本次发明的一种基于刚性载体深海潜水式隧道是一种通过增大结构的载体刚度使其适应于深海并具有较大跨越能力，且具有可拆卸替换功能的潜水式隧道，可应用于深海跨线交通和联通工程。

背景技术

目前，国内外对水下隧道的主要研究内容如下：

1.国内研究

1)水中悬浮隧道，专利号ZL200820111967.7，一种水中悬浮隧道，包括隧道本体和钢绳，隧道本体由至少三段管段前后连接而成，钢绳一端与隧道本体的下端固定连接，钢绳的另一端与位于水底的隧道基础固定连接，所述隧道本体的横截面呈层状结构，包括钢铁内层、混凝土中层和铝制外层，该实用新型提供一种抗腐蚀性能强、延长使用寿命的水中悬浮隧道。缺点：固定连接结构为钢绳，其柔性较大，导致深海中长度较大的隧道在层流或洋流作用下会出现较大变形。

2)悬浮法海底隧道，申请号200510034306.X，一种适用于深海水域的海底隧道及施工方法，隧道由若干节横截面为椭圆环的管段连接而成，隧道始终被搁置在海底锚垫上的下坠力人于管段上浮力的2个下坠锚牵引着，处于悬浮状态，当管段受到水流冲激时，若干对稳定锚能将管段锚定在水中。缺点：连接隧道的结构特点柔性较大，导致深海中长度较大的隧道在层流或洋流作用下会出现较大变形，竖向牵引锚的牵引线长度没有考虑到因存在地形复杂或海沟分布的海床导致牵引线长度差太大而使隧道在海流作用下出现较大变形差。

3)一种浮力可调节的水中悬浮隧道，申请号200810223702.0，该发明公开了一种浮力可调节的水中悬浮隧道，包括隧道管体、锚固***、浮力调节***，隧道管体通过锚固***稳定悬浮在水中，所述浮力调节***由气体压缩机、导气管、浮力调节箱构成，通过气体压缩机改变浮力调节箱中的进水量以实现对隧道管体浮力的调节。缺点：连接隧道的结构特点柔性较大，导致深海中长度较大的隧道在层流或洋流作用下会出现较大变形。

4)自平衡式阿基米德桥，申请号201110031936.7，该发明由正桥、引桥及监控管理***组成，正桥由约束平台、桥段、约束环、隔振装置、轮胎式密封圈、及其它装置组成，其特征在于约束平台可通过约束环对桥段提供上、下、左、右四个方向的约束，克服了锚索及立柱支承为单向约束的不足。缺点：锚固***的结构设计和布置方式没有考虑到因存在地形复杂或海沟分布的海床。

除了以上提及专利，国内还有深海高架隧道CN201320103058.X、阿基米德桥的安全逃生装置200510105226.9、带有防护外壳的阿基米德桥ZL03209319.5、海中隧道201010560050.7、浮托式观光阿基米德桥ZL200420049622.5、环岸型阿基米德桥ZL03209574.0、节岛型自平衡式阿基米德桥201O1O144423.2、曲线型观光阿基米德桥200510105785.X等。目前国内专利研究的不足有：

(1)锚固连接***柔性较大，导致悬浮隧道不适合在流速较大的深海或存在大海沟及地形复杂的海床；

(2)管状隧道的设计及其支撑和连接设计没有考虑到当隧道长度与管径比较大时会出现较大柔性特征；

(3)深海高架隧道的刚性水下支撑墩设计使支撑隧道的结构跨越能力有限，在具有大海沟及地形复杂的海床，墩的长短变化对结构柔性的影响将很明显；

(4)隧道功能区、避险区和逃生区没有统一组合设计，没有考虑到隧道管体的拆卸替换或拆卸时端口连接和闸门布置设计。

2.国外研究

1)SUBMERGED FLOATING TUNNEL WITH CABLE-STAYED SUPERLONG-SPAN AND CONSTRUCTION METHOD THEREOF，专利号KR20120042141(A)，该发明为浸入式悬浮隧道与斜拉桥组合结构具有超长跨度，并提供一种将其布置在海底的潜水墩，并连接具有浮力的水下桥墩隧道单元的施工方法。一个水下超长跨度斜拉桥悬浮隧道包括一个或多个潜水墩，空心通道，以及多个连接构件，潜水桥墩被安装在海底。中空隧道由具有浮力，以彼此连接的隧道部形成的。

2)SUBMERGED FLOATING TUNNEL，专利号KR20100104138(A)，该发明为一种悬索式悬浮隧道，以提高结构的稳定性，并通过最大限度地减少系泊点来系泊隧道，从而显着降低建设成本。该发明包括海底主塔，悬索，隧道，以及多个受拉构件。潜艇主塔被布置在海底以均匀的间隔。该悬浮液电缆被安装在一个圆弧形的潜水艇主塔。隧道是隧道单元通过受拉构件固定在悬索上。

3)Footbridge or immersed tunnel,has hollow box connectedto each other by traction structure to form circulation pathto allow immersion of part of box under water line accordingto total weight of box，专利号CH706389(A1)。该隧道通过浸渍中空箱彼此连接形成循环路径，根据空箱水位线和盒子的总重量的调整使空箱浸渍水中。箱子由第一牵引构件形成的部分和第二牵引结构连接在一起，后者牵引结构形成是由一个第三牵引结构组装在一起，以形成隧道的子集。

国际上最早研究并发明相关悬浮隧道专利的国家是挪威等北欧国家，但到目前国外研究和新建的悬浮隧道均为柔性连接结构为锚固连接装置的悬浮隧道，其特点是柔性较大，不适合超长跨越和超深跨越。前述提及国外专利中1)和2)均为韩国申请专利，两个专利最大特点是将传统悬索桥和斜拉桥的结构特点应用于悬浮隧道的锚固连接体系，两者都没考虑到水上悬索桥和斜拉桥结构在重力作用下索的受力特点和水下悬索桥和斜拉桥结构在重力、浮力和流体力共同作用索的受力特点的区别，即两者的单索面布置及柔性结构特点增大了隧道结构的柔性，两者都不适在深海、大海沟海床、洋流海流复杂区域建设。3)中为法国发明专利，其特点是锚固连接***和隧道管体连接***均为柔性构造，欲通过增大自身结构的柔性以分散海流作用下产生的应力，但其构造只能减低隧道超长跨越和超深跨越的能力。

综述，通过国内外专利的研究，可知未来深海隧道需具有的特点是：1)具有刚性较大的载体，即空心式隧道管体的柔性需要刚性较大的载体弥补其强度；2)刚性支撑结构具有超长跨越和超深跨越能力；3)支撑结构和隧道管体均可预制拼装；4)隧道管体连接端设计可基于密闭性具有可拆卸替换性能；5)隧道满足抗渗抗腐要求。

发明内容

本发明的目的是克服目前在深海水中隧道的研究和设计还存在一定缺陷和不足这一情况，设计出一种基于刚性载体深海潜水式隧道，本发明的结构特征、原理和操作方法如下：

1.一种基于刚性载体深海潜水式隧道结构特征

本发明结构由支撑结构3、载体结构1和隧道管体2组成，支撑结构3、载体结构1和隧道管体2均具有高抗腐蚀抗渗透性能，支撑结构3作用在海床上,载体结构1作用在支撑结构3上，隧道管体2嵌套在载体结构1上共同组成一种基于刚性载体深海潜水式隧道。

支撑结构3包括：主拱圈4、副拱圈5、横梁40、浅水墩48和基础6，其中基础6埋置于海床，主拱圈4布置在深水区并作用基础6上，浅水墩48布置在浅水区也作用在基础6上，副拱圈5作用在主拱圈4上组成分叉式双拱肋双层拱结构，横梁40分别将主拱圈4和副拱圈5左右两条拱肋连接成稳定结构，副拱圈5和主拱圈4组成的分叉式双拱肋双层拱结构的特点：其顺桥向为跨度能力大的双层拱结构，横向为稳定的三角形结构，可以承受深海处较大洋流作用。

载体结构1包括：槽型载体47、扣盖层32、上部隔水圈33、上预紧头34、下预紧头35、下部隔水圈36，其中下预紧头35、下部隔水圈36附属于槽型载体47，槽型载体47架设在主拱圈4、副拱圈5和浅水墩48上，上部隔水圈33、上预紧头34附属于扣盖层32，扣盖层32通过上预紧头34与下预紧头35间的连接作用罩在槽型载体47之上，上部隔水圈33和下部隔水圈36就形成隧道连接端口的闭合隔水圈，上部隔水圈33和下部隔水圈36均为气密性膨胀隔水圈，其中上部隔水圈33内贴于扣盖层32凹面，下部隔水圈36内贴于槽型载体47凹面。

隧道管体2分为主部结构、端部结构和功能区：

主部结构为隧道管体2主要构件，包括：隧道外层7、隧道内层8、侧隔墙10、底板15、底隔墙18、横向分板19、行车区隔墙20、竖向分板22，其中隧道外层7和隧道内层8构成隧道管体2的椭圆管结构，隧道外层7为隧道管体2的高抗腐蚀抗渗透层与海洋直接接触；隧道内层8为隧道管体2的结构强化层内衬于隧道外层7；横向分板19和竖向分板22分别为隧道管体2的椭圆管结构的长径向和短经向构造隔墙，用于支撑和加强隧道管体2；行车区隔墙20布置于横向分板19并分别在竖向分板22两侧，用于划分出行车区21；侧隔墙10布置于隧道管体2两侧，用于将行人区9和逃生舱布置区13与隧道内层8管壁隔开；底板15和底隔墙18均布置在横向分板19下部区域，底隔墙18用于划分出轨道交通逃生区14、轨道交通运行区16，底板15为轨道交通逃生区14和轨道交通运行区16的底部平台。

端部结构为隧道管体2的端部隔水构件，包括：顶伸头37、顶头隔水带38、端口隔水带39、横断隔墙41、侧圆孔42、底圆孔43、闸门44、顶圆孔45、圆孔封盖46、逃生舱通道孔49，隧道管体2的每个节段端口的隧道外层7和隧道内层8为错层布置，且节段端口的隧道外层7和隧道内层8的端部都布置顶伸头37，顶伸头37顶部布置顶头隔水带38，错层内侧布置端口隔水带39；在隧道管体2的每个节段端口处横断面均布置横断隔墙41，用于将各功能区的不规则断面截成圆形和方形规则断面，使圆形端口断面和矩形端口断面分别布置具有翻页式开闭功能的圆孔封盖46和圆孔封盖46；顶部的横断隔墙41将顶侧孔23横断为顶圆孔45，侧部的横断隔墙41将侧边孔11横断为侧圆孔42；行车区隔墙20下的横断隔墙41将行车区21上部的不规则梯形截面横断，使行车区21变成矩形规则断面；底部的横断隔墙41将底侧孔17横断为底圆孔43；逃生舱布置区13处的横断隔墙41将逃生舱布置区13的不规则孔横断为逃生舱通道孔49；当在隧道管体2连接端口需做隔水处理时，所有的圆孔封盖46和圆孔封盖46都关闭使隧道管体2端口处于全封闭隔水状态。

功能区是根据交通行为和人类活动划分并由隧道管体2的主结构划分出来的区域，包括：行人区9、侧边孔11、逃生隔离舱12、逃生舱布置区13、轨道交通逃生区14、轨道交通运行区16、底侧孔17、行车区21、顶侧孔23、A逃生孔24、B逃生孔25、C逃生孔26、底部逃生梯27、D逃生孔28、侧部逃生梯29、行车道30、轨道31，其中行车区21布置在行车竖向分板22两侧的区隔墙20围成区域内，其底面布置行车道30供机动车行驶；行人区9布置在行车区21两侧供非机动车、行人及逃生疏散使用；逃生舱布置区13布置在行人区9正下方，逃生隔离舱12单独间隔布置在逃生舱布置区13；轨道交通运行区16布置在行车区21下方竖向分板22的两侧，供轨道交通运行使用；轨道交通逃生区14布置在轨道交通运行区16两侧，供轨道交通运行区16的逃生疏散使用；行人区9逃生舱布置区13、轨道交通逃生区14、轨道交通运行区16和行车区21之间通过横向分板19、竖向分板22、底隔墙18和行车区隔墙20分隔开，侧隔墙10、底板15和行车区隔墙20顶部与周围的隧道内层8围成侧边孔11、底侧孔17和顶侧孔23；A逃生孔24将行车区21和行人区9连通，B逃生孔25将行人区9和逃生舱布置区13连通，C逃生孔26将轨道交通逃生区14与逃生舱布置区13连通，D逃生孔28将轨道交通运行区16和轨道交通逃生区14连通，所有逃生孔正常情况下都处于关闭状态；底部逃生梯27布置在轨道交通逃生区14侧墙，供人从轨道交通逃生区14经C逃生孔26进入逃生舱布置区13；侧部逃生梯29布置在B逃生孔25下部与逃生舱布置区13底板连接，供人从行人区9经B逃生孔25进入逃生舱布置区13。

一种基于刚性载体深海潜水式隧道结构设计原理：

本次隧道结构设计原理包括支撑结构3结构设计、载体结构1结构设计和隧道管体2结构设计原理如下：

支撑结构3结构设计原理：基础6采用桩基承台基础结构，可以使基础6牢牢握紧海床，为上部结构提供坚固稳定的基础；深水区采用分叉式双拱肋双层拱结构，该结构横桥向的分叉式双拱肋布置为三角形稳定结构，可以使支撑结构3抵抗较大的横向流体力作用，顺桥向为双拱肋双层拱的桁架劲性拱结构，使支撑结构3的刚度增大并具有较大的跨越能力，能适应于地形复杂海床。

载体结构1结构设计原理：载体结构1主结构部分为槽型载体47，其是对传统渡槽改进和应用，其底部断面厚度超过隧道管体2高度的一半，具有较大的刚性，其设计目的是一方面用于嵌套隧道管体2，加强隧道管体2刚度和便于隧道管体2拆卸替换施工，另一方面是进一步加强下部支撑结构3的刚度。载体结构1的扣盖层32设计是用于牢牢地将隧道管体2握裹住，槽型载体47内贴的上部隔水圈33和扣盖层32内贴的下部隔水圈36作为隧道管体2连接端口的第一道隔水设计。

隧道管体2结构设计原理：隧道管体2断面采用扁体椭圆结构，其一方面椭圆曲面型结构抗围压能力强，另一方面扁体椭圆结构使侧向受压面小，减小横向流体力的作用。隧道管体2的管壁采用双层壁布置，目的是提高抗腐蚀抗渗透的同时增强管体结构强度。隧道管体2舱内主结构隔墙采用横向分板19和竖向分板22沿椭圆管体两个径向布置以增强隧道管体2的结构强度和抗压能力。隧道管体2的连接端口处的管壁采用错层布置，管壁前端布置的顶伸头37，管壁错层内侧布置端口隔水带39，连接端口处通过上下两层管壁前端顶伸头37的顶进挤压端头的顶头隔水带38和错层内侧的端口隔水带39上下紧压作用作为隧道管体2连接端口的第二道隔水设计。

一种基于刚性载体深海潜水式隧道操作使用方法：

1)端口连接操作方法

第一步：使所有隧道管体2节段端口的隔水闸门44和圆孔封盖46均处于关闭状态。

第二步：将隧道管体2嵌套于槽型载体47内，隧道管体2的连接端口错层内侧的端口隔水带39搭接在一起，隧道管体2的连接端口处管壁紧贴着槽型载体47内的下部隔水圈36；

第三步：在隧道管体2的连接端口处管体的上部扣上扣盖层32，使上扣盖层32内的上部隔水圈33紧贴着连接端口处的管壁，并使其与下部隔水圈36形成闭合隔水圈；

第四步：将扣盖层32两侧的上预紧头34和、槽型载体47两侧下预紧头35进行连接并预紧固定，然后对上部隔水圈33和下部隔水圈36进行加压膨胀，使其环向膨胀压紧隧道管体2的连接端口，第一道隔水布置完成；

第五步：将端口处管壁前端的顶伸头37进行顶进至邻近管壁使顶头隔水带38受挤压，对顶头隔水带38和端口隔水带39进行加压膨胀增加接口的密闭性，第二道隔水布置完成；

第六步：打开端口处的隔水闸门44和圆孔封盖46，连通所有功能区。

2)隧道逃生避险方式

本隧道的逃生舱12设计成既可沿着逃生舱布置区13内的轨道行驶，又能脱离轨道形成小潜水艇的一种逃生机器。

本次隧道逃生避险方式设计为第一应急避险和第二应急避险，第一应急避险：当行车区21和轨道交通运行区16出现交通事故或突发事故导致交通中断并且生命安全受到了威胁时，行车区21可通过A逃生孔24进入行人区9进行疏散至安全区域，轨道交通运行区16可通过D逃生孔28进入轨道交通逃生区14进行疏散至安全区域。第二应急避险：当发生重大事故，导致隧道管体2可能发生破裂渗水或已发生破裂时，拉响警报并关闭各连接端口处隔水闸门44和圆孔封盖46，以保护好未受损隧道管体2不受渗水影响，行人区9上的人员通过侧部逃生梯29经B逃生孔25进入逃生舱布置区13并进入逃生舱12，轨道交通逃生区14上的人员通过底部逃生梯27经经C逃生孔26进入逃生舱布置区13并进入逃生舱12，准备就绪后打开逃生舱通道孔49的圆孔封盖46，使所有逃生舱12沿自身轨道远离事故区至陆地，管体破损段严重至逃生舱12脱离轨道并作为小型潜水艇经海洋逃生至陆地或海面。

本发明可以取得如下有益效果：

本发明的一种基于刚性载体深海潜水式隧道的设计提出了以下创新和改进设计：

1.提出了刚性载体概念，刚性载体即为刚度较大的支撑结构和载体结构。本次发明总结了目前所研究的水中隧道采用柔性索束缚和高桩柔性墩支撑存在的不足以及水中隧道本身因长细比过大而需要解决的柔度问题，提出在复杂流体力作用下的水中隧道应基于刚性载体的设计理论，刚性载体的设计有利于增加水中隧道整天结构的纵向刚度和横向刚度，从而提高了水中隧道的抗洋流作用能力和跨越能力。

2.本次发明考虑了水中隧道的应用可能会面临存在复杂地形或海沟的海床，设计出分叉式双拱肋双层拱结构作为支撑结构的上部结构，打入海床的承台桩基础作为支撑结构的基础结构，使水中隧道具有能跨越复杂地形或海沟的能力，分叉式双拱肋双层拱结构的自身和所支撑的载体结构和隧道管体均受浮力的作用。因此，同样结构所承受的恒载远小于陆地上所承受的恒载，分叉式双拱肋双层拱结构在海中跨越能力将远大于同样结构在陆地的跨越能力。

3.本次发明提出了载体结构设计的理念，载体结构的设计不仅有效增强支撑结构的强度和刚度，还弥补了采用预制拼装法施工隧道管体的连贯性强度缺失并提高隧道管体的整体性和刚度。载体结构的设计还为隧道管体端口连接提供着床基础和增加了管壁***隔水构造，即第一道隔水装置。

4.本次发明为隧道管体连接端口提出了第一级隔水装置和第二级隔水装置的设计以及隔水装置均采用加压膨胀式隔水圈，有效地避免连接端口出现渗水现象。

5.本次发明将隧道管体结构、功能区划分及应急避险措施三位一体综合设计，并为隧道应急避险提出了第一级应急避险和第二级应急避险设计，可以有效应对深海隧道出现的突发事件。

6.本次发明提出了沿纵向独立舱道运行的逃生舱设计，即逃生舱布置在独立的逃生舱通道孔，并沿着逃生舱通道孔即顺隧道管体方向线路进行逃生运行，避免了传统水下隧道逃生装置布置在隧道管壁并沿横向逃生存在的缺陷，即布置在隧道管壁并沿横向逃生的逃生装置设计将改变隧道管体管壁的构造和完整性，不可避免增加了管壁设计的复杂程度。逃生舱设计成可沿轨道运行和在海中运行的多功能两栖小型潜水艇，即隧道管体仍保持完整性情况下，逃生舱沿隧道纵向线进行逃生至安全区，当隧道管体发生爆裂断开，逃生舱可沿裂口滑入海洋形成小潜水艇逃生至安全区。

附图说明

图1一种基于刚性载体深海潜水式隧道纵向布置图；

图2一种基于刚性载体深海潜水式隧道横向断面图；

图3一种基于刚性载体深海潜水式隧道三维布置图；

图4一种基于刚性载体深海潜水式隧道层层分离说明图；

图5载体结构和隧道管体嵌套布置图；

图6隧道管体结构和功能区布置断面图；

图7隧道管体功能区间逃生孔布置断面图；

图8隧道管体结构和功能区布置立体图；

图9隧道管体连接端口处功能区连通状态断面图；

图10隧道管体连接端口处功能区关闭状态断面图；

图11隧道管体连接端口布置详图；

图12隧道管体连接端口两级隔水装置布置详图；

图中：1为载体结构、2为隧道管体、3为支撑结构、4为主拱圈、5为副拱圈、6为基础、7为隧道外层、8为隧道内层、9为行人区、10为侧隔墙、11为侧边孔、12为逃生舱、13为逃生舱布置区、14为轨道交通逃生区、15为底板、16为轨道交通运行区、17为底侧孔、18为底隔墙、19为横向分板、20为行车区隔墙、21为行车区、22为竖向分板、23为顶侧孔、24为A逃生孔、25为B逃生孔、26为C逃生孔、27为底部逃生梯、28为D逃生孔、29为侧部逃生梯、30为行车道、31为轨道、32为扣盖层、33为上部隔水圈、34为上预紧头、35为下预紧头、36为下部隔水圈、37为顶伸头、38为顶头隔水带、39为端口隔水带、40为横梁、41为横隔墙、42为侧圆孔、43为底圆孔、44为隔水闸门、45为顶圆孔、46为圆孔封盖、47为槽型载体、48为浅水墩、49为逃生舱通道孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明；

利用上述设计的一种基于刚性载体深海潜水式隧道的施工方法，具体步骤如下：

步骤一：工程准备，在岸边工厂进行材料和构件预制及驳运码头建设，大型驳运设备和水下施工设备进厂调试。

步骤二：支撑结构3的基础6施工，利用工程船进行水下打桩施工并进行水下浇筑桩基和承台；

步骤三：支撑结构3的上部结构施工，将岸边预制完成的构件通过工程船和工程潜水艇配合进行水下预制拼装主拱圈4、副拱圈5、横梁40和浅水墩48；

步骤四：载体结构1施工，将岸边预制完成的构件通过工程船和工程潜水艇配合在主拱圈4、副拱圈5、和浅水墩48上进行水下预制拼载体结构1，拼装顺序为由中部向两岸拼装；

步骤五：隧道管体2施工，将岸边预制完成的构件通过工程船和工程潜水艇配合在载体结构1内进行水下预制拼隧道管体2的各节段，拼装顺序为由中部向两岸拼装；

步骤六：沿线检查隧道隧道管体2的密闭性完好后，打开所有隔水闸门44圆孔封盖46并连通隧道管体2内所有功能区。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于刚性载体深海潜水式隧道结构，其特征在于：其由支撑结构(3)、载体结构(1)和隧道管体(2)组成，支撑结构(3)、载体结构(1)和隧道管体(2)均采用高抗腐蚀抗渗透材料制作，支撑结构(3)作用在海床上,载体结构(1)作用在支撑结构(3)上，隧道管体(2)嵌套在载体结构(1)上共同组成一种基于刚性载体深海潜水式隧道；支撑结构(3)包括：主拱圈(4)、副拱圈(5)、横梁(40)、浅水墩(48)和基础(6)，其中基础(6)埋置于海床，主拱圈(4)布置在深水区并作用基础(6)上，浅水墩(48)布置在浅水区也作用在基础(6)上，副拱圈(5)作用在主拱圈(4)上组成分叉式双拱肋双层拱结构，横梁(40)分别将主拱圈(4)和副拱圈(5)左右两条拱肋连接成稳定结构，副拱圈(5)和主拱圈(4)组成的分叉式双拱肋双层拱结构的特点：其顺桥向为跨度能力大的双层拱结构，横向为稳定的三角形结构，以承受深海处较大洋流作用；载体结构(1)包括：槽型载体(47)、扣盖层(32)、上部隔水圈(33)、上预紧头(34)、下预紧头(35)、下部隔水圈(36)，其中下预紧头(35)、下部隔水圈(36)附属于槽型载体(47)，槽型载体(47架设在主拱圈(4)、副拱圈(5)和浅水墩(48)上，上部隔水圈(33)、上预紧头(34)附属于扣盖层(32)，扣盖层(32)通过上预紧头(34)与下预紧头(35)间的连接作用罩在槽型载体(47)之上，处于该状态时，上部隔水圈(33)和下部隔水圈(36)就形成隧道连接端口的闭合隔水圈，上部隔水圈(33)和下部隔水圈(36)均为气密性膨胀隔水圈，其中上部隔水圈(33)内贴于扣盖层(32)凹面，下部隔水圈(36)内贴于槽型载体(47)凹面；隧道管体(2)分为主部结构、端部结构和功能区：1)主部结构为隧道管体(2)主要构件，包括：隧道外层(7)、隧道内层(8)、侧隔墙(10)、底板(15)、底隔墙(18)、横向分板(19)、行车区隔墙(20)、竖向分板(22)，其中隧道外层(7)和隧道内层(8)构成隧道管体(2)的椭圆管结构，隧道外层(7)为隧道管体(2)的高抗腐蚀抗渗透层与海洋直接接触；隧道内层(8)为隧道管体(2)的结构强化层内衬于隧道外层(7)；横向分板(19)和竖向分板(22)分别为隧道管体(2)的椭圆管结构的长径向和短经向构造隔墙，用于支撑和加强隧道管体(2)；行车区隔墙(20)布置于横向分板(19)并分别在竖向分板(22)两侧，用于划分出行车区(21)；侧隔墙(10)布置于隧道管体(2)两侧，用于将行人区(9)和逃生舱布置区(13)与隧道内层(8)管壁隔开；底板(15)和底隔墙(18)均布置在横向分板(19)下部区域，底隔墙(18)用于划分出轨道交通逃生区(14)、轨道交通运行区(16)，底板(15)为轨道交通逃生区(14)和轨道交通运行区(16)的底部平台；2)端部结构为隧道管体(2)的端部隔水构件，包括：顶伸头(37)、顶头隔水带(38)、端口隔水带(39)、横断隔墙(41)、侧圆孔(42)、底圆孔(43)、闸门(44)、顶圆孔(45)、圆孔封盖(46)、逃生舱通道孔(49)，隧道管体(2)的每个节段端口的隧道外层(7)和隧道内层(8)为错层布置，且节段端口的隧道外层(7)和隧道内层(8)的端部都布置顶伸头(37)，顶伸头(37)顶部布置顶头隔水带(38)，错层内侧布置端口隔水带(39)；在隧道管体(2)的每个节段端口处横断面均布置横断隔墙(41)，用于将各功能区的不规则断面截成圆形和方形规则断面，使圆形端口断面和矩形端口断面分别布置具有翻页式开闭功能的圆孔封盖(46)；顶部的横断隔墙(41)将顶侧孔(23)横断为顶圆孔(45)，侧部的横断隔墙(41)将侧边孔(11)横断为侧圆孔(42)；行车区隔墙(20)下的横断隔墙(41)将行车区(21)上部的不规则梯形截面横断，使行车区(21)变成矩形规则断面；底部的横断隔墙(41)将底侧孔(17)横断为底圆孔(43)；逃生舱布置区(13)处的横断隔墙(41)将逃生舱布置区(13)的不规则孔横断为逃生舱通道孔(49)；当在隧道管体(2)连接端口需做隔水处理时，所有圆孔封盖(46)都关闭使隧道管体(2端口处于全封闭隔水状态；3)功能区是根据交通行为和人类活动划分并由隧道管体(2)的主结构划分出来的区域，包括：行人区(9)、侧边孔(11)、逃生隔离舱(12)、逃生舱布置区(13)、轨道交通逃生区(14)、轨道交通运行区(16)、底侧孔(17)、行车区(21)、顶侧孔(23)、A逃生孔(24)、B逃生孔(25)、C逃生孔(26)、底部逃生梯(27)、D逃生孔(28)、侧部逃生梯(29)、行车道(30)、轨道(31)，其中行车区(21)布置在行车竖向分板(22)两侧的区隔墙(20)围成区域内，其底面布置行车道(30)供机动车行驶；行人区(9)布置在行车区(21)两侧供非机动车、行人及逃生疏散使用；逃生舱布置区(13)布置在行人区(9)正下方，逃生隔离舱(12)单独间隔布置在逃生舱布置区(13)；轨道交通运行区(16)布置在行车区(21)下方竖向分板(22)的两侧，供轨道交通运行使用；轨道交通逃生区(14)布置在轨道交通运行区(16)两侧，供轨道交通运行区(16)的逃生疏散使用；行人区(9)逃生舱布置区(13)、轨道交通逃生区(14)、轨道交通运行区(16)和行车区(21)之间通过横向分板(19)、竖向分板(22)、底隔墙(18)和行车区隔墙(20)分隔开，侧隔墙(10)、底板(15)和行车区隔墙(20)顶部与周围的隧道内层(8)围成侧边孔(11)、底侧孔(17)和顶侧孔(23)；A逃生孔(24)将行车区(21)和行人区(9)连通，B逃生孔(25)将行人区(9)和逃生舱布置区(13)连通，C逃生孔(26)将轨道交通逃生区(14)与逃生舱布置区(13)连通，D逃生孔(28)将轨道交通运行区(16)和轨道交通逃生区(14)连通，所有逃生孔正常情况下都处于关闭状态；底部逃生梯(27)布置在轨道交通逃生区(14)侧墙，供人从轨道交通逃生区(14)经C逃生孔(26)进入逃生舱布置区(13)；侧部逃生梯(29)布置在B逃生孔(25)下部与逃生舱布置区(13)底板连接，供人从行人区(9)经B逃生孔(25)进入逃生舱布置区(13)。

2.运用权利要求1设计出一种基于刚性载体深海潜水式隧道的隧道逃生避险方式，其特征在于：本隧道的逃生舱(12)设计成既可沿着逃生舱布置区(13)内的轨道行驶，又能脱离轨道形成小潜水艇的一种逃生机器。本次隧道逃生避险方式设计为第一应急避险和第二应急避险，第一应急避险：当行车区(21)和轨道交通运行区(16)出现交通事故或突发事故导致交通中断并且生命安全受到了威胁时，行车区(21)可通过A逃生孔(24)进入行人区(9)进行疏散至安全区域，轨道交通运行区(16)可通过D逃生孔(28)进入轨道交通逃生区(14)进行疏散至安全区域；第二应急避险：当发生重大事故，导致隧道管体(2)可能发生破裂渗水或已发生破裂时，拉响警报并关闭各连接端口处隔水闸门(44)和圆孔封盖(46)，以保护好未受损隧道管体(2)不受渗水影响，行人区(9)上的人员通过侧部逃生梯(29)经B逃生孔(25)进入逃生舱布置区(13)并进入逃生舱(12)，轨道交通逃生区(14)上的人员通过底部逃生梯(27)经经C逃生孔(26)进入逃生舱布置区(13)并进入逃生舱(12)，准备就绪后打开逃生舱通道孔(49)的圆孔封盖(46)，使所有逃生舱(12)沿自身轨道远离事故区至陆地，管体破损段严重至逃生舱(12)脱离轨道并作为小型潜水艇经海洋逃生至陆地或海面。

3.运用权利要求1设计出一种基于刚性载体深海潜水式隧道的端口连接操作方法：

第一步：使所有隧道管体(2)节段端口的隔水闸门(44)和圆孔封盖(46)均处于关闭状态；

第二步：将隧道管体(2)嵌套于槽型载体(47)内，隧道管体(2)的连接端口错层内侧的端口隔水带(39)搭接在一起，隧道管体(2)的连接端口处管壁紧贴着槽型载体(47)内的下部隔水圈36；

第三步：在隧道管体(2)的连接端口处管体的上部扣上扣盖层(32)，使上扣盖层(32)内的上部隔水圈(33)紧贴着连接端口处的管壁，并使其与下部隔水圈(36)形成闭合隔水圈；

第四步：将扣盖层(32)两侧的上预紧头(34)和槽型载体(47)两侧的下预紧头(35)进行连接并预紧固定，然后对上部隔水圈(33)和下部隔水圈(36)进行加压膨胀，使其环向膨胀压紧隧道管体(2)的连接端口，第一道隔水布置完成；

第五步：将端口处管壁前端的顶伸头(37)进行顶进至邻近管壁使顶头隔水带(38)受挤压，对顶头隔水带(38)和端口隔水带(39)进行加压膨胀增加接口的密闭性，第二道隔水布置完成；

第六步：打开端口处的隔水闸门(44)和圆孔封盖(46)，连通所有功能区。

4.权利要求1、权利要求2或权利要求3任一权利要求所述的一种基于刚性载体深海潜水式隧道的施工方法，其特征在于：

步骤一：工程准备，在岸边工厂进行材料和构件预制及驳运码头建设，大型驳运设备和水下施工设备进厂调试；

步骤二：支撑结构(3)的基础(6)施工，利用工程船进行水下打桩施工并进行水下浇筑桩基和承台；

步骤三：支撑结构(3)的上部结构施工，将岸边预制完成的构件通过工程船和工程潜水艇配合进行水下预制拼装主拱圈(4)、副拱圈(5)、横梁(40)和浅水墩(48)；

步骤四：载体结构(1)施工，将岸边预制完成的构件通过工程船和工程潜水艇配合在主拱圈(4)、副拱圈(5)、和浅水墩(48)上进行水下预制拼载体结构(1)，拼装顺序为由中部向两岸拼装；

步骤五：隧道管体(2)施工，将岸边预制完成的构件通过工程船和工程潜水艇配合在载体结构(1)内进行水下预制拼隧道管体(2)的各节段，拼装顺序为由中部向两岸拼装；

步骤六：沿线检查隧道隧道管体(2)的密闭性完好后，打开所有隔水闸门(44)圆孔封盖(46)并连通隧道管体(2)内所有功能区。