一种悬浮隧道外管壁螺旋式展索装置及其使用方法

本发明属于桥梁与隧道工程领域，具体涉及一种悬浮隧道外管壁螺旋式展索装置及其使用方法。

背景技术：

1、悬浮隧道是一种新型的、跨径长的、对自然环境影响小的跨海交通构筑物。隧道整体完全浸没在水中，两端与陆地相连，不同于海底隧道等结构，其依靠浮力悬浮在水中，通过设置锚索或浮筒等方式调整悬浮隧道整体浮重比（管体水中浮力与自身重力的比值）。

2、锚索式悬浮隧道适用于深度普遍超100m的水域，每间隔50-100m布置至少两根锚索，锚索倒v字型布置，一端锚固在隧道管体上，另一端锚固到海底基础，建成后锚索拉力平衡管体浮力与重力的差值，使悬浮隧道管体不出现过大变形，满足内部车辆行驶要求。

3、经过持续20多年的锚索式悬浮隧道研究，现有成果认为，悬浮隧道宜采用“管段、锚索干坞预制——驳船运输管段、锚索就位——沉放管段并水下对接——锚索两端固定”的大致过程。长度普遍在100-200m以上的锚索在通过驳船运输到预定位置后，从驳船上引入水中并展开、再到牵引至水底锚固，需要大量水下施工工时，对于这方面的理论、试验研究目前还非常有限，制约了悬浮隧道的工程应用。

4、基于以上有必要提出一种利于提高锚索锚固质量且更节省时间和资源的锚索运输、水下展索及锚固的施工方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种悬浮隧道外管壁螺旋式展索装置及其使用方法，该装置省去单独将锚索运送至水下的工序，加快了水下施工进度，使得锚索水下展开、锚固更加经济、简便。同时在悬浮隧道建成后，该装置永久保留在隧道管体上，成为隧道管体的一部分，能为抵抗波流荷载和提升结构整体刚度发挥作用。

2、本发明的技术方案如下：

3、以外管壁上具有螺旋式锚索预存装置的预制隧道管段为单位，用于悬浮隧道下沉入水前的锚索暂时存放、简化水下展索施工；单个预制隧道管段包括管段本体、两根螺旋管、两个管段锚头和两根预存锚索；

4、所述使用方法包括以下步骤：

5、s1：依据管段本体的长度、直径及其对应的两根预存锚索长度，计算两根螺旋管的螺距h和缠绕圈数n；制作两根等长度、等螺距的螺旋管然后并排连接；螺旋管长度大于预存锚索长度；

6、s2：在干坞制作预制隧道管段，如果管段本体外壁为混凝土材料，则两个管段锚头需定制模板完成混凝土浇筑，两根金属螺旋管用螺栓永久固定到管段外壁；如果管段本体外壁为钢材，则两个管段锚头亦选用钢材质，与并排的两根金属螺旋管一起焊接到管段外壁；管段锚头干坞预制，可减少水下施工同时控制锚固质量；

7、s3：两根预存锚索表面涂抹石墨材料层并完全穿进两根螺旋管，沿螺旋导向路径暂时存放，螺旋管两端做临时密封防水处理，锚索暂存状态不施加预张力；

8、s4：浮运预制隧道管段，将其沉放至水下预定深度；从而省去单独运输锚索至水下的工时；

9、s5：拆除螺旋管两端的临时密封，缓慢牵引预存锚索的牵引段至水底基础，控制牵引段速度竖向分量为0.2-0.5m/s,预存锚索展开；牵引段永久锚固至基础，预存锚索的另一端锚固于管段锚头；

10、s6：按上述步骤完成其他预制隧道管段的逐段对接；向螺旋管中填注轻质泡沫混凝土填料并端部密封，以提高螺旋管的强度；悬浮隧道运营阶段螺旋管能够破坏洋流流过悬浮隧道时引起的周期性旋涡脱落，起到抑止隧道涡激振动的效果。

11、所述预制隧道管段，外管壁上的两根螺旋管为中空圆形截面，采用高强度防锈蚀的合金材质，螺旋管各单元之间通过法兰接头或焊接方式连接，形成连续的螺旋导向空腔；两根螺旋管沿管体轴线方向投影长度为u1，管段本体长度为u，u1/u=0.7-0.8；

12、所述预制隧道管段，两根螺旋管空腔直径为d1，分别存放用于限制隧道变形的两根预存锚索，预存锚索直径为d2，d2/d1=0.8-0.9，预存锚索与螺旋管之间既保留足够间隙，又避免间隙过大导致预存锚索在暂存时出现过大的局部弯曲；预存锚索表面涂刷厚度为t的疏水润滑石墨材料层，d2+2t<0.95d1，确保涂覆石墨材料层后仍有径向间隙容纳构件的尺寸误差及预存锚索的局部弯曲变形；预存锚索的一端设置长度为d3的牵引段，d3/d2=10-15，其直径逐渐变小，利于预存锚索从螺旋管端部顺畅穿进暂存以及水下牵引过程中减小阻力；

13、所述预制隧道管段，两个管段锚头分别布置在管段本体的水平两侧，并与两根螺旋管的其中一端齐平，管段锚头距离管段本体一端的长度为u2，u2/u=0.15-0.2，以减小悬浮隧道运营阶段相邻管段接头处的弯矩和剪力。

14、本发明的有益效果如下：

15、1）将锚索穿入螺旋管中运输至水下预定位置再展索锚固，实现“锚索预存+螺旋管导向展索”，简化水下复杂的单独穿索、展索作业，缩短工期、节约成本、控制施工风险；

16、2）管段锚头在干坞预制，下水前与管段已经联结成一体，简化了锚头部分的水下施工，提升锚索的锚固质量；螺旋管导向布置使锚索释放路径、过程可控，分阶段张拉锚索，渐进建立预定的锚索张紧程度；

17、3）将螺旋管安装在悬浮隧道管段外壁，减少了波流对外管壁的直接冲击和侵蚀；螺旋管内填注填料，增加了管节本体的强度和刚度，削弱了涡激振动，提升悬浮隧道的抗振稳定性；

18、4）锚索的巨大张力，会使锚索安装位置附近的管段承受很大的剪力和负弯矩，现有关于“锚索在管段上合理安装位置”的研究还少有报道，采取本发明的方法，管段接头与锚索安装位置错开，使得负弯矩区段与管段接头亦错开，利于提升悬浮隧道接头的使用寿命。

1.一种悬浮隧道外管壁螺旋式展索装置的使用方法，其特征在于，以外管壁上具有螺旋式锚索预存装置的预制隧道管段为单位，用于悬浮隧道下沉入水前的锚索暂时存放并简化水下的展索、安装；

2.一种用于实施权利要求1所述方法的悬浮隧道外管壁螺旋式展索装置，其特征在于，