本實(shí)用新型是一種水中懸浮隧道接頭。

背景技術(shù)：

水中懸浮隧道，又稱阿基米德橋，其利用浮力支撐隧道體和交通荷載重量，是一種新的穿越水域的交通方式。由于亟待解決的問(wèn)題尚多，所以目前世界上還未建成一座實(shí)用的水中懸浮隧道。但水中懸浮隧道本身所具有的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便捷、抗震的特性，注定其必將擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。

管段接頭是懸浮隧道乃至所有水下結(jié)構(gòu)中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外的水下隧道接頭設(shè)計(jì)主要針對(duì)沉管隧道、盾構(gòu)隧道等，并沒(méi)有專門設(shè)計(jì)的懸浮隧道接頭結(jié)構(gòu)。沉管隧道的管段接頭包括中間接頭、岸邊接頭和最終接頭，一般情況下，中間接頭廣泛采用柔性接頭，而岸邊接頭和最終接頭則主要選用剛性接頭。在港珠澳大橋的建設(shè)中，設(shè)計(jì)者更是創(chuàng)新性地提出了半剛性接頭的概念。

然而不同于沉管隧道，水中懸浮隧道通常處于水下十幾米至幾十米的深度，所處的海洋環(huán)境更為復(fù)雜。管段的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致接頭的錯(cuò)動(dòng)和張開，影響接頭受力情況。另外，與陸上交通設(shè)施相比，水體作用于懸浮隧道管段所產(chǎn)生的靜水壓力和附加的動(dòng)水壓力，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)自振頻率與振型的改變并產(chǎn)生附加阻尼。懸浮隧道接頭在長(zhǎng)期的應(yīng)力腐蝕和海水化學(xué)腐蝕的雙重作用下，其關(guān)鍵部件很容易發(fā)生損壞，最終威脅整體的安全性能。

申請(qǐng)?zhí)枮?01410010771.9的專利公開了一種沉管隧道柔性接頭，包括隧道箱體、剛性鋼圈、GINA止水帶、止水帶連接板、Ω型橡膠止水帶、連接螺栓、擋板、鋼拉索、水平剪切鍵和垂直剪切鍵，兩段隧道箱體中間連接一個(gè)剛性鋼圈，剛性鋼圈一端與隧道箱體之間設(shè)置一個(gè)GINA止水帶和橡膠止水帶以及鋼拉索，其中GINA止水帶通過(guò)止水帶連接板和連接螺栓固定于剛性鋼圈，型橡膠止水帶則通過(guò)連接螺栓兩端都固定；剛性鋼圈另一端與隧道箱體之間設(shè)置一個(gè)GINA止水帶和兩個(gè)型橡膠止水帶，其中GINA止水帶通過(guò)止水帶連接。該接頭結(jié)構(gòu)為柔性接頭，應(yīng)用于沉管隧道，以此專利為代表的現(xiàn)有隧道接頭基本都是應(yīng)用于沉管隧道，無(wú)法適用于水下懸浮隧道，不能滿足水下隧道受力、密封和抗腐蝕要求等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有密封性能的水中懸浮隧道接頭，該接頭結(jié)構(gòu)具有良好的水密性，能夠滿足復(fù)雜海洋環(huán)境下水中懸浮隧道接頭的防水要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型是通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種具有密封性能的水中懸浮隧道接頭，包括對(duì)接的兩個(gè)管段，兩個(gè)管段之間具有接頭空間，兩管段之間通過(guò)密封結(jié)構(gòu)連接，所述密封結(jié)構(gòu)包括套于相鄰兩管段外的連接套、位于連接套與兩管段之間的防水帶。

進(jìn)一步地，所述防水帶對(duì)應(yīng)兩管段契合區(qū)域外的兩端分別設(shè)有一個(gè)沿其圓周方向環(huán)繞的截面呈梯形的凸環(huán)，所述連接套上對(duì)凸環(huán)的位置具有使凸環(huán)嵌合的凹槽。

進(jìn)一步地，所述密封結(jié)構(gòu)還包括分別位于兩管段端面上的端鋼殼以及位于兩端鋼殼之間的GINA止水帶。

進(jìn)一步地，所述密封結(jié)構(gòu)還包括連接兩端鋼殼的OMEGA止水帶以及將OMEGA止水帶罩住的鋼罩殼。

本實(shí)用新型的有益效果：

1、本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭，設(shè)置了三道防水結(jié)構(gòu)，包括GINA止水帶、OMEGA止水帶和帶有凸環(huán)的防水帶，具有良好的密封性，特別是帶有凸環(huán)的防水帶對(duì)接頭外圈進(jìn)行防水，可以在連接套由于突發(fā)情況遭到破壞時(shí)，保證在隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生滲漏水的前提下對(duì)連接套進(jìn)行更換。

2、本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭，與傳統(tǒng)沉管隧道接頭相比，設(shè)置了軸向和徑向預(yù)應(yīng)力拉索，能夠滿足復(fù)雜海洋環(huán)境下水中懸浮隧道接頭所產(chǎn)生的振動(dòng)和變形，保證GINA橡膠止水帶不會(huì)由于錯(cuò)動(dòng)而發(fā)生滲漏。

3、本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭，采用契合結(jié)構(gòu)使接頭具有一定的定位功能，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更便于安裝，同時(shí)為徑向預(yù)應(yīng)力拉索提供了安裝平臺(tái)，在契合結(jié)構(gòu)中設(shè)置減振墊層，不僅可以起到消能減振的目的，通過(guò)膠接還能起到一定的防水作用，保護(hù)下部的GINA止水帶。

4、本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭，聚氨酯彈性連接套和剪力鍵共同作用承擔(dān)接頭處的剪力并限制管段之間的相對(duì)位移，避免接頭發(fā)生較大變形時(shí)內(nèi)部的軸向預(yù)應(yīng)力拉索無(wú)法滿足GINA止水帶的最小壓縮止水要求而導(dǎo)致接頭發(fā)生滲漏水。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭的徑向截面視圖；

圖2為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭的軸向局部截面視圖；

圖3為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭中的連接套的立體示意圖；

圖4為圖1中的減振墊層的放大示意圖；

圖5為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭中的減振墊層的截面立體示意圖；

圖6為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭中的磁流變彈性支座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭中的防水帶的立體示意圖；

圖8為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭中的接頭內(nèi)部的密封結(jié)構(gòu)；

圖9為本實(shí)用新型的具有密封性能的水中懸浮隧道接頭中用以連接兩個(gè)M型鋼桁架結(jié)構(gòu)的連接板的徑向投影視圖；

圖中：

1-左管段：101-錐套、102-錐套底面、103-錐套頂面；

2-右管段：201-錐孔、202-錐孔底面；

3-減振結(jié)構(gòu)：301-連接套、302-徑向預(yù)應(yīng)力拉索、303-固定端錨環(huán)、304-軸向預(yù)應(yīng)力拉索、305-拉緊裝置、306-減振墊層、307-減振彈簧、308-耐火板、309-柔性填充層、310-M型鋼桁架結(jié)構(gòu)、311-剪力鍵、312-連接板、313-凹槽；320-磁流變彈性支座、321-金屬壓板、322-勵(lì)磁線圈、323-彈性層、324-滑動(dòng)層、325-金屬板、326-絕緣保護(hù)罩、327-振動(dòng)傳感器；

4-密封結(jié)構(gòu)：401-端鋼殼、402-GINA止水帶、403-防水帶、404-凸環(huán)、405-OMEGA止水帶、406-鋼罩殼。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型的水中懸浮隧道位于水面10以下，隧道下方連接有張力腿11，張力腿11通過(guò)錨固結(jié)構(gòu)12錨固在水域底部，隧道內(nèi)鋪設(shè)路面13，以供車輛和行人通過(guò)。隧道由若干同軸設(shè)置的管段相互對(duì)接而成，相鄰兩管段之間的對(duì)接部位稱為接頭。

以相鄰的左、右管段1、2的接頭結(jié)構(gòu)為例來(lái)對(duì)本實(shí)用新型的水中懸浮隧道接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。圖2示出了左、右管段1、2接頭部位的軸向局部剖視圖。左、右管段1、2同軸并具有相同的內(nèi)外徑，左管段1的右端為外表面呈錐面的錐套101，錐套101的內(nèi)外表面徑向位于左管段1的內(nèi)外壁之間，右管段2的左端開有與錐套101外壁相適應(yīng)的錐孔201，錐孔201與右管段2的內(nèi)壁呈階梯孔，即錐孔201的右端沒(méi)有徑向延伸至與右管段2內(nèi)壁。左、右管段1、2之間通過(guò)錐套101與錐孔201之間錐面的契合結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)接，便于安裝時(shí)左、右管段之間的定位。錐套底面102與錐孔底面202之間具有軸向間隙，該軸向間隙與錐套101內(nèi)表面及左、右管段1、2內(nèi)壁所在圓周面之間構(gòu)成左、右管段1、2之間的環(huán)形接頭空間。當(dāng)然左、右管段之間也可以采用位于各自端部的豎直平面來(lái)直接對(duì)接，由豎直平面上的凹面來(lái)形成接頭空間。

一對(duì)同軸設(shè)置的軸向預(yù)應(yīng)力拉索304于接頭空間內(nèi)分別向左、向右穿入至左、右管段1、2內(nèi)，位于左、右管段1、2之間的拉緊裝置305將該對(duì)軸向預(yù)應(yīng)力拉索304拉緊，拉緊裝置305與兩側(cè)的軸向預(yù)應(yīng)力拉索304采用花籃螺絲的方式連接，軸向預(yù)應(yīng)力拉索304可以為周向均布的多對(duì)，每對(duì)軸向預(yù)應(yīng)力拉索304均對(duì)應(yīng)一個(gè)拉緊裝置305。通過(guò)軸向預(yù)應(yīng)力拉索304使接頭結(jié)構(gòu)能夠抵抗水下軸向振動(dòng)和變形。錐套底面102與錐孔底面202對(duì)應(yīng)接頭空間徑向靠外的部位上分別設(shè)有一個(gè)端鋼殼401，兩個(gè)端鋼殼401之間設(shè)有由天然橡膠制成的GINA止水帶402，端鋼殼401和GINA止水帶402均為環(huán)狀并徑向位于軸向預(yù)應(yīng)力拉索304以內(nèi)。左、右管段1、2對(duì)接時(shí)先將GINA止水帶402安裝在其中一個(gè)端鋼殼401上，對(duì)接后，兩個(gè)端鋼殼401可對(duì)GINA止水帶402軸向兩端施加一定的壓力，GINA止水帶402與兩個(gè)端鋼殼401之間呈密封壓緊狀態(tài)，這樣GINA止水帶402就可以對(duì)接頭部位進(jìn)行防水密封。

軸向預(yù)應(yīng)力拉索304、拉緊裝置305作為減振結(jié)構(gòu)3對(duì)接頭進(jìn)行減振防變形。由端鋼殼401和GINA止水帶402作為密封結(jié)構(gòu)4對(duì)接頭進(jìn)行防水，使得接頭滿足抗振、防水要求。

為了進(jìn)一步提高隧道接頭的減振抗振能力，減振結(jié)構(gòu)3還包括連接套301和徑向預(yù)應(yīng)力拉索302。圖3為連接套301的立體示意圖，連接套301由聚氨酯等彈性材料澆筑而成，硬度為邵氏60D～75D，為便于安裝連接套301周向分為兩片，兩片之間采用高強(qiáng)螺栓連接，當(dāng)然也可以根據(jù)工況將連接套301設(shè)置成一片或者任意多片。連接套301套于左、右管段1、2外并與左、右管段1、2粘接，連接套301的左、右兩端通過(guò)徑向預(yù)應(yīng)力拉索302與左、右管段1、2錨接，如圖2的左側(cè)所示，連接套301的內(nèi)壁上預(yù)埋有固定端錨環(huán)303，徑向預(yù)應(yīng)力拉索302一端與固定端錨環(huán)303連接，另一端沿左管段1徑向穿入至左管段1內(nèi)，徑向預(yù)應(yīng)力拉索302可以沿左管段1周向均勻布置多個(gè)，這樣就實(shí)現(xiàn)了連接套301與左管段1的錨接，連接套301與右管段2之間采用同樣的方式錨接，徑向預(yù)應(yīng)力拉索302使得水中懸浮隧道接頭能夠抵抗徑向振動(dòng)和變形。

如圖4和圖5所示，錐套101與錐孔201之間設(shè)有減振墊層306，減振墊層306內(nèi)部均設(shè)有若干減振彈簧307。減振墊層306基體材料為高阻尼橡膠，減振彈簧307在減振墊層306內(nèi)部按矩陣陣列形狀等距離鋪設(shè)，減振墊層306表面采用氯化法處理以引入極性官能團(tuán)并增大墊層表面粗糙度，便于錐套101、錐孔201與減振墊層306之間的膠接。減振墊層306及其內(nèi)部的減振彈簧307設(shè)置在接頭的契合區(qū)域，增加了錐套101與錐孔201契合區(qū)域的彈性抗振能力。

減振結(jié)構(gòu)3還包括徑向位于錐套101以內(nèi)、兩端分別與錐套底面102與錐孔底面202的耐火板308和填充于耐火板308與錐套101內(nèi)表面之間的柔性填充層309。耐火板308徑向?yàn)榻宇^結(jié)構(gòu)的最內(nèi)圈，將接頭空間封閉起來(lái)。柔性填充物309具體可以是聚氨酯彈性體或丁腈橡膠增韌的環(huán)氧樹脂，柔性填充層309增加了接頭的柔性。柔性填充層309內(nèi)設(shè)有兩個(gè)同軸的M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310，兩個(gè)M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310相對(duì)外端分別與左、右管段1、2連接，兩個(gè)M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310的相對(duì)內(nèi)端通過(guò)連接板312及高強(qiáng)螺栓410連接，連接板312及高強(qiáng)螺栓410的徑向視圖見(jiàn)圖9。M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310使接頭呈柔性的同時(shí)具備一定的剛性，M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310結(jié)合軸向預(yù)應(yīng)力拉索304，保證了接頭強(qiáng)度。

圖1所示，錐套101的頂面103和錐孔底面202上周向均布有六個(gè)剪力鍵311，兩個(gè)面上的剪力鍵311相互嵌合，剪力鍵311增強(qiáng)了接頭的抗振性。

錐套101的頂面103和錐孔底面202之間還設(shè)有六個(gè)與剪力鍵311等圓周分布的磁流變彈性支座320，磁流變彈性支座320與剪力鍵311等角度間隔，如圖6所示，磁流變彈性支座320包括金屬壓板321、勵(lì)磁線圈322、彈性層323、滑動(dòng)層324和金屬板325，其中：金屬壓板321數(shù)量為兩個(gè)，分別位于頂面103和錐孔底面202上，勵(lì)磁線圈322也是兩個(gè)，分別位于左、右管段1、2內(nèi)與相應(yīng)的金屬壓板321連接并形成回路，金屬壓板321及相應(yīng)的勵(lì)磁線圈322由分別位于左、右管段內(nèi)的絕緣保護(hù)罩326包圍起來(lái)；彈性層323和滑動(dòng)層324由磁流變彈性材料制成，分別連接在兩個(gè)金屬壓板321相對(duì)的側(cè)面上；金屬板325則位于彈性層323和滑動(dòng)層324之間。端面103和錐孔底面202上對(duì)應(yīng)金屬壓板321的外圍設(shè)有若干個(gè)振動(dòng)傳感器327。振動(dòng)傳感器327測(cè)量左、右管段1、2接頭部位的振動(dòng)情況，然后將振動(dòng)信號(hào)傳遞給外設(shè)的控制器，控制器根據(jù)振動(dòng)信號(hào)來(lái)控制勵(lì)磁線圈322的電流從而勵(lì)磁線圈322產(chǎn)生不同大小的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通過(guò)金屬壓板321傳遞給彈性層323和滑動(dòng)層324，當(dāng)彈性層323和滑動(dòng)層324內(nèi)的磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，彈性層323和滑動(dòng)層324剛度也會(huì)發(fā)生變化，并且分別可以軸向壓縮和徑向位移，金屬板325則對(duì)彈性層323和滑動(dòng)層324的自由變形進(jìn)行約束，這樣由彈性層323、金屬板322和滑動(dòng)層324構(gòu)成的磁流變彈性體就可以對(duì)接頭起到良好的隔振減振效果。另外，連接套301為聚氨酯彈性管，在磁場(chǎng)作用下，也可改變自身的剛度，從而改變左、右管段接頭結(jié)構(gòu)的剛度，當(dāng)環(huán)境荷載發(fā)生急劇變化時(shí)，可通過(guò)勵(lì)磁線圈激發(fā)磁場(chǎng)，有效保護(hù)接頭不受損壞。

下面對(duì)接頭中的密封結(jié)構(gòu)4作進(jìn)一步的說(shuō)明。密封結(jié)構(gòu)4除了包括前述的由端鋼殼401和GINA止水帶402構(gòu)成的第一道防水結(jié)構(gòu)外，還包括位于連接套301與左、右管段1、2之間的防水帶403，防水帶403軸向位于連接套301內(nèi)并覆蓋左、右管段1、2的契合區(qū)域，防水帶403采用天然橡膠，整周環(huán)繞于左右管段接頭處，并通過(guò)高強(qiáng)螺栓410與左、右管段的壁部緊固連接，防水帶403上的螺栓孔采用雙組分聚硫密封膠密封，防水帶可以對(duì)接頭外圈進(jìn)行防水，而連接套301可對(duì)防水帶403進(jìn)行一定的保護(hù)。

圖7為防水帶403的立體示意圖，如圖所示，防水帶403對(duì)應(yīng)左、右管段契合區(qū)域外的兩端分別設(shè)有一個(gè)沿其圓周方向環(huán)繞的截面呈梯形的凸環(huán)404，凸環(huán)404嵌入連接套301上對(duì)應(yīng)凸環(huán)位置的凹槽313(見(jiàn)圖3)內(nèi)。兩道梯形截面凸環(huán)404填充于連接套301的凹槽內(nèi)可進(jìn)一步起到防水作用。防水帶403作為第二道防水結(jié)構(gòu)，可以充分保障不會(huì)從接頭外圈發(fā)生滲水，同時(shí)，當(dāng)外部連接套301由于意外情況發(fā)生損壞，從外部直接移除連接套301進(jìn)行更換時(shí)防水帶403能短時(shí)間內(nèi)保障隧道不滲水。

圖8示出了接頭內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)的示意圖，接頭內(nèi)部除了端鋼殼401和GINA止水帶402外，密封結(jié)構(gòu)4還包括連接兩端鋼殼401徑向相對(duì)靠里的內(nèi)端面的OMEGA止水帶405以及將OMEGA止水帶405罩住的鋼罩殼406，OMEGA止水帶405及鋼罩殼406位于M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310以外，OMEGA止水帶405可以對(duì)接頭進(jìn)行第三道防水。

為了以避免海水和海洋微生物腐蝕，可以在端鋼殼401、鋼罩殼406、防水帶403和連接套301的表面涂覆超厚膜環(huán)氧防腐涂料，高強(qiáng)螺栓410表面涂覆聚氨酯防腐涂料。

左、右管段1、2接頭的安裝過(guò)程如下：在陸地上預(yù)制左、右管段1、2，端鋼殼401、減振墊層306預(yù)先安裝在左、右管段1、2上，GINA止水帶402也預(yù)先安裝在左管段1的端鋼殼上，然后左、右管段1、2相對(duì)的端部采用臨時(shí)隔離壁封閉并進(jìn)行水下對(duì)接，對(duì)接后左、右管段1、2上剪力鍵311嵌合，GINA止水帶402被兩側(cè)的端鋼殼401壓緊以形成周向防水，將接頭內(nèi)中的蓄水排除，并拆除臨時(shí)隔離壁，隨后進(jìn)行OMEGA止水帶405和鋼罩殼406的安裝，并對(duì)OMEGA止水帶405進(jìn)行封閉檢測(cè)。隨后在接頭空間內(nèi)部進(jìn)行M型鋼桁架結(jié)構(gòu)310布設(shè)和軸向預(yù)應(yīng)力拉索304、柔性填充層309以及耐火板308等部件的安裝，最后在左、右管段1、2外部布設(shè)防水帶403和連接套301，這樣就完成了接頭部位的安裝。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn),對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。