阅读说明：本技术 一种浮力可变悬浮隧道 (Buoyancy-variable suspension tunnel ) 是由 陈澜铠 李雪艳 宋克志 董晓龙 李伟 王宇航 王嘉睿 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种浮力可变悬浮隧道,其包括隧道框架、浮力可控浮箱、车道、隧道平衡检测装置、隧道防撞浮箱链接装置、隧道保护外壳、防撞系统和逃生系统；该悬浮隧道采用浮力可控的浮箱,通过对浮箱的调整,使隧道的浮力发生改变,通过隧道平衡检测装置对车辆位置的预算和仪器检测来控制各部分的工作；并且悬浮隧道施工简单,同时结构形式简单,维护较为方便。(The invention discloses a buoyancy-variable suspension tunnel which comprises a tunnel frame, a buoyancy-controllable buoyancy tank, a lane, a tunnel balance detection device, a tunnel anti-collision buoyancy tank linking device, a tunnel protective shell, an anti-collision system and an escape system, wherein the buoyancy-controllable buoyancy tank is arranged on the tunnel frame; the floating tunnel adopts a buoyancy-controllable buoyancy tank, the buoyancy of the tunnel is changed by adjusting the buoyancy tank, and the work of each part is controlled by the budget of the vehicle position and the instrument detection of a tunnel balance detection device; and the suspension tunnel construction is simple, and the structural style is simple simultaneously, and it is comparatively convenient to maintain.)

一种浮力可变悬浮隧道

技术领域：

本发明属于隧道工程技术领域，具体地讲是一种浮力可变悬浮隧道，是一种可以根据自身重力改变浮力的悬浮式隧道，适用于海洋、湖泊和水库。

背景技术：

悬浮隧道作为一种新型的交通运输方式，世界上很多国家都对悬浮隧道展开了研究。跨越江河湖海的交通运输方式，从空间位置上来看，由上到下依次为大跨度桥梁、悬浮隧道、沉管隧道、海底隧道。其中，大跨度桥梁、沉管隧道、海底隧道为传统的跨越江河湖泊的交通结构物；沉管隧道是将隧道管段分段预制，每段两端设置临时止水头部，然后浮运至隧道轴线处，沉放在预先挖好的地槽(基槽)内，完成管段间的水下连接，移去临时止水头部，回填基槽保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成一个完整的水下通道。海底隧道修建的缺点：建设成本高，建设过程中需要解决的复杂问题多，如地质、地形、岩层裂缝、漏水等等。因此总的造价也很高，且建设周期长。海底隧道存在的不足:从生态角度来讲，海底隧道开通会影响海洋生物尤其是海底生物的正常生存环境。

悬浮隧道与传统的跨越江河湖海的交通结构物相比，有独有的特点与自身魅力，在很多情况下也是一种非常有竞争力的选择方案，它相比其他跨越方式的优势和竞争力体现在以下方面：

悬浮隧道的修建不会对周边的自然环境造成很大的影响，不会对沿海岸的地质岩层进行扰动，也不会对建造地点的自然景观造成影响；悬浮隧道可以全天候运营，与大会跨度桥梁相比不会受到海啸、大风、暴雨、浓雾等极端恶劣气候条件的影响，可以保证城市交通的畅通。

悬浮隧道一般设置于水下30～50m，参考航运部门提供的相关资料，此设置深度对水面上的航运造成的影响很小；水中悬浮隧道由于悬浮在水中，并不同于沉管隧道和海底隧道，受海床的地貌、水文地质条件等的直接影响作用不会很大。

悬浮隧道的放置位置比沉管隧道与海底隧道要往上一些，这样就减小了汽车行驶过程中的爬坡坡度，提高通行效率，同时也可降低汽车的油耗，节约能源和保护环境。

还可以保护部分水域的风景名胜，例如高山之间深峡谷形成的湖泊。这些优点是传统的跨越方式几乎不可能实现的，但是悬浮隧道提供了这种水域情况下的交通选择，并且是唯一选择。

在使用功能方面，悬浮隧道可以通过汽车、火车、小型机动车、等，还可以让需要经过海洋的光纤、通信设备、电缆、管道设备等在海下穿行。

现有悬浮隧道存在的不足:目前在世界上尚未形成系统、完备的理论体系，需要突破长跨度悬浮结构流固耦合机理、深水环境下悬浮隧道结构承载力特性、恶劣海况下结构支撑系统稳定性等重大核心科学难题，以及结构设计标准体系制定、高韧性高强度特殊结构新材料研发、深水复杂条件施工工艺、工法、装备制造、风险评估等一系列工程技术问题。

发明内容

：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种浮力可变悬浮隧道，是一种完全靠浮力维持自身平衡的悬浮隧道。

本发明提供的技术方案是：一种浮力可变悬浮隧道，其特殊之处在于，包括隧道框架、浮力可控浮箱、车道、隧道平衡检测装置、隧道防撞浮箱链接装置、隧道保护外壳、防撞系统和逃生系统；

所述的隧道框架内设浮力可控浮箱、车道和隧道平衡检测装置，浮力可控浮箱固定在框架上，车道与浮力可控浮箱连接固定，在车道的下方中间的位置设隧道平衡检测装置；所述的隧道框架外设隧道保护外壳；所述的隧道框架两端分别通过隧道防撞浮箱链接装置连接防撞系统；隧道两端装有车辆重量检测装置；

所述的隧道框架的结构材料使用钢筋混凝土，能够使隧道结构更加坚固；隧道框架的外部保护材料选用碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料；

所述的浮力可控浮箱设置在隧道框架的上、下、左、右位置，浮力可控浮箱包括外壳，外壳的两端为半球形封头，所述的外壳内设可控浮箱主仓、可控浮箱副仓，可控浮箱副仓位于可控浮箱主仓两侧；所述的可控浮箱主仓上设两个排气阀；所述的可控浮箱副仓上设进气出气阀、进水出水阀和进水压力泵，通过控制进水和出水，进气和出气来改变隧道所受的浮力；

所述的隧道平衡检测装置位于车道中间下方，隧道平衡检车装置采用陀螺仪，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度信号；各检测装置检测出信号，传到电脑，通过电脑计算处理，发出控制信号；

所述的防撞系统通过隧道防撞浮箱链接装置与隧道保护外壳连接，防撞系统由防撞系统内部连接装置、防撞浮箱保护外壳、防撞系统内部浮箱组成；所述的防撞浮箱保护外壳为三角形，其中一边靠紧并固定在隧道保护外壳，防撞系统内部浮箱在防撞浮箱保护外壳的中央，通过防撞系统内部连接装置连接框架连接防撞浮箱保护外壳和防撞系统内部浮箱，使二者相对固定；防撞系统内部浮箱采用FRP材料，外部受撞部位的结构借助其强度和韧性保证在不受破坏的前提下以最大的强度向内凹陷；

所述的隧道防撞浮箱链接装置是使用普通机械连接结构，在隧道保护外壳和防撞浮箱保护外壳上安装有销钉，在隧道防撞浮箱链接装置上留有连接孔；安装时只需要将隧道防撞浮箱链接装置上的连接孔对准，隧道保护外壳和防撞浮箱保护外壳上的销钉，进行***连接即可；

所述的逃生系统位于车道两边，车道两边通过逃生系统入口连接逃生舱存放空间，每个逃生舱存放空间存放两个以上逃生舱，逃生舱存放空间上面有逃生舱弹射口，直接连接到海里；逃生舱有逃生舱入口、内设有氧气供应系统、逃生舱座椅、逃生舱动力系统；逃生舱入口采用舱外平动的舱门、压力密封的方式与舱体连接；氧气供应系统分为两部分，一部分为氧气储存装置，设置于外壳与逃生舱座椅之间，内储存有充足的氧气，另一部分为氧气供应装置，设置于逃生舱座椅上，氧气储存装置与供应装置相连接；逃生舱座椅采用安全带固定方式；逃生舱动力系统置于逃生舱底部，使用喷气动力和弹射，使逃生舱快速冲出隧道；

在隧道接口处最外面设置凹凸结构，凹凸结构包括凹凸防水结构凹槽、凹凸防水结构凸槽，在凹凸结构内使用防水密封的材料密封；推动螺母柱底座向前沿着螺母柱固定扣转动，在链接螺母柱向前旋转时与另一段的链接螺母接口相连，并转入其内；旋转时两隧道的距离缩短，使凹凸防水结构凸槽进入凹凸防水结构凹槽，防水密封材料挤压。

进一步的，所述的左右的浮力可控浮箱上设平衡检测器。

进一步的，所述的浮力可控浮箱的外壳内部设有至少3个加强环，并设置在所述外壳的等分点处。

本发明的有益效果是：1、采用泡沫混凝土，能够为隧道提供一定的浮力；2、浮力可控浮箱是维持隧道上下平衡的重要结构，通过对浮箱的调整，使隧道的浮力发生改变，其浮力的变化由隧道两端的车辆重量检测装置测试决定；3、外部保护结构材料使用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料能够很好的起到防水和防护作用；4、采用平衡检测系统和相关的仪器，可以通过数据实时检测隧道的平衡状态，并生成数字信号，并通车计算机系统处理，生成可控浮力浮箱的工作指令控制可控浮箱；5、悬浮隧道施工简单，同时结构形式简单，维护较为方便。

附图说明：

图1是本发明的竖直剖面示意图；

图2是图1的A-A剖面示意图；

图3是本发明的俯视示意图；

图4是本发明的前视示意图；

图5是图1的浮力可控浮箱的B-B剖面示意图；

图6是图1的车道的C-C剖面示意图；

图7是本发明的车道横向剖示图；

图8是本发明的连接螺母柱的结构示意图；

图9是本发明的连接螺母接口的结构示意图；

图10是本发明的防撞浮箱的剖示结构示意图；

图11是本发明的逃生系统水平剖示图；

图12是图11的A-A剖示图；

图13是图11的B-B剖示图；

图14是本发明的逃生舱内部示意图。

图中：1隧道框架、2车道通风管道、3浮力可控浮箱、4车道、5隧道平衡检测装置、6隧道防撞浮箱链接装置、7防撞系统内部连接装置、8防撞浮箱保护外壳、9防撞系统内部浮箱、10凹凸防水结构凹槽、11凹凸防水结构凸槽、12逃生舱、13逃生舱弹射口、14链接螺母柱、15隧道保护外壳、17链接螺母接口、18进气出气阀、19进水出水阀、20可控浮箱主仓、21可控浮箱副仓、22进水压力泵、23车道内通风器、24螺母柱底座、25推力伸缩柱、26转动动力机、27螺母柱固定扣、28逃生系统入口、29逃生舱存放空间、30逃生舱入口、31氧气供应系统、32逃生舱座椅、33逃生舱动力系统。

具体实施方式

：

为了更好地理解与实施，下面结合附图详细说明本发明。

如图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14所示，一种浮力可变悬浮隧道，包括隧道框架1、浮力可控浮箱3、车道4、隧道平衡检测装置5、隧道防撞浮箱链接装置6、隧道保护外壳15、防撞系统和逃生系统；首先预制好车道4与隧道框架1，将浮力可控浮箱3焊接到隧道框架1上，在隧道框架1内安装车道4和隧道平衡检测装置5，在车道4上方空间安装车道通风管道2和车道内通风器23；在隧道框架1外安装隧道保护外壳15；隧道框架1两端分别通过隧道防撞浮箱链接装置6连接防撞系统；

隧道框架1的结构材料使用钢筋混凝土，能够使隧道结构更加坚固，以保证隧道总体的稳定性；隧道框架1的外部保护材料选用碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料，能够很好的起到防水和保护作用；

浮力可控浮箱3为12个，分别设置在隧道框架1的上、下、左、右位置，上面下面各8个，左右各4个，上下8个浮箱主要用来根据车流荷载的大小，改变隧道的浮力，以维持隧道在水中的深度，左右4个浮箱主要用来维持左右的平衡，在左右的浮力可控浮箱上安装平衡检测器，左右浮箱根据平衡检测器的信号，和隧道平衡检测装置5共同检测共同控制，以达到对隧道的检测精度更高，控制效果最好；各检测装置检测出信号，传到电脑，通过电脑计算处理，发出控制信号，改变左右浮箱的浮力，从而达到水平方向上的平衡；浮力可控浮箱3包括圆柱形外壳，外壳的主体为碳纤维结构，外壳的两端为半球形封头，和半球形封头通过焊接密封连接；外壳内部通过隔舱钢板沿外壳轴向分割为互相密封的五个仓室，一个可控浮箱主仓20，4个可控浮箱副仓21，可控浮箱副仓21分别位于可控浮箱主仓20两侧，一侧有两个；可控浮箱主仓20上安装两个排气阀，可控浮箱副仓21上安装进气出气阀18、进水出水阀19和进水压力泵22；外壳内部设有至少3个加强环，并设置在外壳的等分点处；通过进气出气阀18、进水出水阀19调整浮箱自身浮力，利用浮力可控浮箱3完成长距离管道的拼接和沉放；

隧道平衡检测装置5固定在车道4中间下面，采用的陀螺仪（futaba系列陀螺仪，其GY520与jr的G750T属于同一级别，最高端为GY701（集合了GY520和gv－1定速仪的所有功能））是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕平面两轴作***；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕平面三轴作***。陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号；通过传感器得到传感数据用来感知隧道是否左右平衡，经过计算机分析计算，算出隧道的状态，从而电脑发出指令来控制可控浮力浮箱3以保证桥梁的平衡；当隧道向左倾斜时，电脑发出指令使左侧浮力可控浮箱3出水进气，右侧浮力可控浮箱3进水出气，从而使隧道达到平衡；向右侧倾斜时，工作原理与向左倾斜相似，右侧浮力可控浮箱3出水进气，左侧浮力可控浮箱3进水出气；

隧道两端装有车辆重量检测装置，可以参照现有高速路上机动车重量检测系统，测出进入隧道内车的重量；规定汽车的通行速度范围，通过计算机计算，可以预测出汽车在任意时间段在隧道内所在的位置，然后由计算机发出信号指令，来控制可控浮力浮箱来改变浮力；一般状态下，汽车车流稳定时，隧道通过自身的惯性可以维持自身的稳定，只有在大型货运汽车和大质量的通行工具通过时才需要改变自身的浮力来维持平衡；

防撞系统通过隧道防撞浮箱链接装置6与隧道保护外壳15连接，防撞系统由防撞系统内部连接装置7、防撞浮箱保护外壳8、防撞系统内部浮箱9组成，安装于隧道的两侧；防撞浮箱保护外壳8为三角形，其中一边靠紧并固定在隧道保护外壳15，防撞系统内部浮箱9在防撞浮箱保护外壳8的中央，通过防撞系统内部连接装置7连接框架连接防撞浮箱保护外壳8和防撞系统内部浮箱9，使二者相对固定；，防撞系统的主要功能是提供浮力和减轻水下各类情况对隧道的冲击以减少隧道的损害；防撞系统内部浮箱9采用FRP材料（纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，或Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料；根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)；由于纤维增强复合材料具有如下特点:(1)比强度高,比模量大;(2)材料性能具有可设计性:(3)抗腐蚀性和耐久性能好;(4)热膨胀系数与混凝土的相近；这些特点使得FRP材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要,同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中；以其质轻、耐腐蚀、机械强度高的优点，可以保证隧道一定的安全性；此结构通过内外结构来消能，当遇到海浪以及其他情况时，外部结构的变形消能和散能，受撞部位的外部结构借助其强度和韧性保证其在不受破坏的前提下以最大的强度向内凹陷，***箱体结构同时借助FRP材料完全弹性和低应变速率的优异性能，通过缓慢地释放变形能反推外界冲力作功形成浮箱反作用功，以进一步消耗冲击力；防撞系统内部浮箱9内层结构比外层结构内的刚度更低和约束更弱的设计，当浮箱外层结构受到撞击时，内层结构比外层结构有更大的挤压变形空间，当外层结构受撞击时剩余部份能量通过内外结构的连接结构传递到内层构件时，内层结构通过其更大的变形消能和散能来吸收浮箱***箱体结构消能后剩余的动能；隧道防撞浮箱链接装置6是使用普通机械连接结构，在隧道保护外壳15和防撞浮箱保护外壳8上安装有销钉，在隧道防撞浮箱链接装置6上留有连接孔；安装时只需要将隧道防撞浮箱链接装置6上的连接孔对准，隧道保护外壳15和防撞浮箱保护外壳8上的销钉，进行***连接即可；

所述的逃生系统位于车道4两边，车道4两边通过逃生系统入口28连接逃生舱存放空间29，每个逃生舱存放空间29存放两个以上逃生舱12，逃生舱存放空间29上面有逃生舱弹射口13，可以直接连接到海里；逃生舱12有逃生舱入口30、内设有氧气供应系统31、逃生舱座椅32、逃生舱动力系统33；逃生舱入口30采用舱外平动的舱门、压力密封的方式与舱体连接；氧气供应系统31分为两部分，一部分为氧气储存装置，设置于外壳与逃生舱座椅之间，内储存有充足的氧气，另一部分为氧气供应装置，设置于逃生舱座椅上，氧气储存装置与供应装置相连接；逃生舱座椅32，具体使用安全带固定方式，可以保证人员在逃生舱座椅32上的安全；逃生舱动力系统33置于逃生舱12底部，使用喷气动力和弹射，使逃生舱12快速冲出隧道；

在隧道接口处最外面设置凹凸结构，凹凸结构包括凹凸防水结构凹槽10、凹凸防水结构凸槽11，在凹凸结构内使用高强度复合橡胶作为接口地方防水密封的材料；转动动力机26转动推动推力伸缩柱25伸长，推动螺母柱底座24向前沿着螺母柱固定扣27转动，在链接螺母柱14向前旋转时与另一段的链接螺母接口17相连，旋转时两隧道的距离缩短，使凹凸防水结构凸槽11进入凹凸防水结构凹槽10，使防水的橡胶挤压，达到密封的效果；

悬浮隧道的衔接主要利用螺母式的衔接结构来为两端进行连接，隧道的一段内通过连接结构与伸缩螺母柱连接，连接结构为转动动力机26和推力伸缩柱25，隧道的另一段留有相应的螺母接口的位置，连接时转动动力机26和推力伸缩柱25同时启动，从而推动螺母柱旋转前进，进而进入对应端的螺母接口；每段隧道接口处设置六个衔接结构列，基本上六个位置平均分配，确保其安全性；在遂道接口处最外面采用凹凸结构，密封效果好；另外衔接结构要作为隧道中最牢固的位置，以钛合金为主要材料，辅以其他金属；

以上所有部件均与隧道框架相连接，都固定在框架上，然后使用泡沫混凝土进行浇灌，使各部件空间得到填充，但填充时要留有后续工作人员进行施工的通道；隧道整体以泡沫混凝土浇灌，大大提高悬浮隧道的稳定性和安全性。

本发明的一种浮力可变悬浮隧道，隧道出入口要离海岸和岸边一定距离，留一段岸上隧道，主要是安装车辆车辆重量的装置，能准确测出车辆重量是维持隧道平衡的关键；对于下浮的隧道，两端封闭，使用可以在内部拆卸的材料对两端关键管道口以及通车空间进行封堵；使隧道在下沉的过程中未与连接部分连接时，保证内部不进水，使内部工作环境正常；在隧道下浮过程中，通过施工船只固定，通过改变自身浮力来控制下沉和上升，这大大降低了施工的难度；在隧道下沉到合适的位置时，通过控制使隧道悬浮，通过施工船的连接使隧道维持稳定并缓慢移动，使隧道未连接部分，慢慢靠近已接好的部分，使其慢慢结合，使凹凸防水结构凹槽、凹凸防水结构凸槽对正，然后启动转动动力机，使链接螺母柱转进链接螺母接口，通过转力使凹凸结构紧压达到密封防水效果；连接好的部分，有施工人员进入拆除封闭材料，使内部正常通车；重复上述安装过程，进行每一段的连接。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的技术特征都属于现有技术。以上的实施方式仅仅是对发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。