一种固定桁架支撑式扁平橄榄型的双管悬浮隧道及施工方法

本发明涉及悬浮隧道领域，具体涉及一种固定桁架支撑式扁平橄榄型的双管悬浮隧道及施工方法。

背景技术：

1、目前传统的悬浮隧道设计有三种形式，包括固定柱式、锚索式和浮筒式。其中，固定柱式悬浮隧道的混凝土用料造价昂贵，支撑墩柱为实体结构迎波流面积较大，受荷载的影响极大。锚索式悬浮隧道存在的问题：一是锚泊系统是悬浮隧道的主要承载构件，而锚索具有大柔度、小质量及小阻尼的特性，在外海不利因素的影响下，极易发生振动；二是锚索因海洋环境发生蠕变导致锚索应力松弛，水下重新调整锚索张力困难。而浮筒式悬浮隧道的浮筒只能提供竖向约束力，不能提供水平约束力，受极端天气影响大，同时也会影响航运。另外，由于海洋环境的苛刻性，海洋腐蚀与生物污损的防护是海洋装备和海洋设施安全服役的保障。

2、申请号为202021286423.1的文献公开了一种新型组合导管架海洋平台，该平台能有效降低维护维修产生的高额费用，导管腿外管采用frp(纤维增强复合材料)材料，可以有效改善耐腐性差的问题，同时采用约束阻尼结构，降低结构在环境因素作用下产生的震动反应。但是该结构应用范围为海洋平台（如石油平台），不能满足交通使用需求，对于需满足车辆形式的悬浮隧道，振动控制极其严苛，该结构形式是否能稳定承载悬浮隧道有待考究；另外，该结构未能对结构的寿命进行实时安全监测。

3、申请号为202311023559.1的文献公开了一种具有桁架钢结构的桩基悬浮隧道及其施工法，该悬浮隧道将桩与钢构桩接口固连成一体，完成钢结构在水底的永久定位。适用于我国渤海和琼州两海峡通道的建设应用场景，施工成本低、周期短、安全可靠。但是其桁架结构过于简单，仅用一组x型杆件形成桁架且桁架结构沿管体布设（长度过长），同时采用间隔的墩桩连接桁架结构固定于海底（墩柱为实体结构迎波流面积较大，受荷载的影响极大），对于长大的悬浮隧道体系，可视为柔性结构，其振动控制与安全平稳性（含抗倾覆能力）有待考究；桁架满布设于悬浮隧道管体且未采用二力杆形式布置，单位面积的建材用量会造成浪费；该桁架材料为钢材，对于其需在复杂海洋环境长期服役来说，钢材料极易受到海洋生物或海水的侵腐蚀性，会严重影响其服役寿命；另外，该结构未能对结构的寿命进行实时安全监测。

4、申请号为202311023552.x 的文献公开了一种具有拉索和桁架钢结构的悬浮隧道及其施工法，该悬浮隧道包括管节、拉索、桁架钢结构、桩、桥墩和拉索墩，拉索两端分别安装在桁架钢结构和拉索墩上。本发明尤其适用于我国渤海和琼州两海峡通道的建设应用场景，建设成本低、周期短、安全可靠。但是该结构体系其使用拉索过多，拉索容易在服役期发生应力松弛，现有技术对在海底运维拉索极其困难且价格昂贵；其桁架结构过于简单，仅用一组x型杆件形成桁架结构且桁架结构沿管体布设（长度过长），同时采用一组拉索墩通过拉索将悬浮隧道连接至海底固定对于长大的悬浮隧道体系，可视为柔性结构，其振动控制与安全平稳性（含抗倾覆能力）有待考究；桁架满布设于悬浮隧道管体且未采用二力杆形式布置，单位面积的建材用量会造成浪费；该桁架材料为钢材，对于其需在复杂海洋环境长期服役来说，钢材料极易受到海洋生物或海水的侵腐蚀性，可能会严重影响其服役寿命；另外，该结构未能对结构的寿命进行实时安全监测。

5、申请号为202321113126.0的文献公开了一种用于监测的智能铝合金门式刚架柱，光纤光栅传感器通过cfrp封装层封装在铝合金柱基体上，实现对于铝合金长期实时监测的目的。但是该结构本身生产制作时植入光纤光栅形成整体，使得结构在监测仅为点式传感，其测量结果仅反映被测点局部服役应变情况，导致结构监测数据不具全局性，可能会引起测量缺漏或误差。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，针对现有悬浮隧道存在的上述不足，提供一种固定桁架支撑式扁平橄榄型的双管悬浮隧道及施工方法，解决传统锚索式悬浮隧道极易振动、抗倾覆能力差、耐腐蚀性差等问题，特别地，可实现悬浮隧道安全稳定的全生命周期的智能监测。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

3、一种固定桁架支撑式扁平橄榄型的双管悬浮隧道，包括悬浮隧道管体、刚性桁架、连接支架和光纤监测系统，所述悬浮隧道管体设置为两根（双管结构），且均为扁平橄榄型，所述悬浮隧道管体与刚性桁架之间通过所述连接支架柔性连接，所述刚性桁架包括v型、x型杆件制成的二力杆支撑结构，二力杆支撑结构通过斜腹杆将各层连成整体，形成共用弦杆的叠合桁架结构体系；所述光纤监测系统包括光纤传感器、数据采集终端和监控中心，光纤传感器的光纤光栅植入到刚性桁架内部。

4、按上述方案，所述悬浮隧道管体在连接支架的管段外围包裹橡胶材料。

5、按上述方案，所述连接支架包括自下而上布置的承重凹槽、底部u型管槽与顶部u型管槽，所述承重凹槽预制完成后，通过凹槽预留孔洞与刚性桁架顶部预留钢筋拼装后灌浆固定，所述底部u型管槽与承重凹槽之间通过预制孔洞和钢筋拼接再灌浆固定，所述两根悬浮隧道管体放置于底部u型管槽中，所述顶部u型管槽通过螺栓与底部u型管槽固定连接。

6、按上述方案，所述底部u型管槽与承重凹槽之间设置有包含若干纵向减振系统、横向减振系统的缓冲层，所述缓冲层同样由预制孔洞和钢筋拼接后灌浆固定。

7、按上述方案，所述两根悬浮隧道管体之间每隔一段距离设置有横向减振系统。

8、按上述方案，所述横向减振系统、纵向减振系统均采用惯容器+弹簧+阻尼的形式设计。

9、按上述方案，所述桁架与支撑平台连接处设置有若干斜向支撑。

10、按上述方案，所述刚性桁架的杆件采用碳纤维增强复合材料cfrp制作，包括内管和外管，内外管之间填充粘弹性阻尼材料。

11、按上述方案，所述承重凹槽采用椭圆形，与所述底部u型管槽匹配。

12、本发明还提供了一种上述固定桁架支撑式扁平橄榄型的双管悬浮隧道结构的施工方法，包括如下步骤：

13、s1、制作杆件：采用cfrp材料制作构成刚性桁架的杆件，杆件内填充粘弹性阻尼材料（用于消耗波流荷载从而减小波流对桁架的影响，提高稳定性）；

14、s2、陆地安装刚性桁架和承重凹槽：利用制作好的杆件在陆地上按照x型、v型结构制作成刚性桁架，刚性桁架顶部预留用于拼接用的钢筋，承重凹槽焊接预制完成后，通过凹槽预留孔洞于与刚性桁架顶部预留钢筋拼装后灌浆固定，承重凹槽和刚性桁架之间还设置有斜向支撑；制作时将光纤光栅植入到刚性桁架内部，并连接光纤传感器，在悬浮隧道建造运营期间，通过计算机监测刚性桁架收缩应变和刚度变化情况；

15、s3、安装底部u型管槽和吸力筒基础，将底部u型管槽和缓冲层通过预制拼接的方式与承重凹槽连接；

16、s4、刚性桁架制作完成后将其下沉至海床，固定底部基础；

17、s5、在悬浮隧道管体上连接横向减振系统，并在相应管段周围包裹橡胶材料；

18、s6、将悬浮隧道管体下沉至底部u型管槽内，并将顶部u型管槽与底部u型管槽通过螺栓连接；承重凹槽与底部u型管槽之间设置多个纵向减振系统、横向减振系统，同时在两刚性桁架之间设置横向减振系统。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果：

20、1、悬浮隧道管体形状设置为流线型的扁平橄榄型（椭圆形）的双管结构，当波流载荷作用于流线型悬浮隧道管体时，一是由于流线体表面不存在边界层分离，可以有效地减小压差阻力；二是相比圆形截面管体，可增加其抗扭转力矩；

21、2、v型、x型二力杆支撑结构通过增加斜腹杆将各层连成整体，使平行四边形的框架结构变成了稳定的三角形结构，形成共用弦杆的叠合桁架结构体系，从而产生“力对冲”效应，轴向刚度得以充分利用，结构变形和内力明显减少，所以具有高承载力、大空间、超长悬挑和低造价的显著优势，可解决传统桁架结构承载力较低、刚度较小、动力性能较差等问题；

22、3、刚性桁架结构相较于传统的固定柱式基础结构，一是横向、斜向联合桁架结构迎波流面积变小，使得整体结构受到外波流激励变小，进一步减少了整体基础结构的水动力响应，更好地满足sft车辆运行舒适性的要求；二是桁架中杆件为二力杆，减少了整体结构的用料，进一步节约了材料成本；三是桁架在管体两侧的延伸能在管体侧面提供一定的消流能力，即在一定程度上保护了管体；四是简化施工过程；五是桁架与支撑平台连接处设置有若干斜向支撑，可提高结构稳定性。

23、4、内置减振系统：传统的支撑结构在遇到地震或冲击荷载时不能高效的消耗能量。本发明在管体与u型管槽之间包裹橡胶材料，起到隧道管体受到波流各向冲击的减振效果；底部u型管槽与承重凹槽之间设置含有若干减振系统的缓冲层，起到凹槽与隧道管体的各向减振效果；两管体之间每隔一段距离设置有横向减振系统，起到隧道管体间的横向减振效果，各横向、纵向减振系统能有效控制整体结构的振动，提高结构稳定性；

24、5、传统的混凝土、钢结构与锚索容易被海洋环境腐蚀从而导致危及结构的安全性，本发明采用以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的cfrp复合材料，cfrp管桁架结构可解决桁架基础结构海洋腐蚀与生物污损问题，耐腐蚀性能好、蠕变小，保障整体结构的安全服役；另外cfrp轻质高强、耐疲劳，减轻了桁架式结构的运输难度和成本；提高了桁架式整体结构的刚度和抗倾覆能力，从而保证了桁架式结构长时间抵抗海洋自然荷载的能力；

25、6、所制作的cfrp管内填充粘弹性阻尼材料。在管内填充完弹性阻尼材料之后可以增强桁架杆件耗能能力，通过消耗洋流的能量从而减小桁架基础结构的加速度；

26、7、光纤+cfrp一体化结合，常规的光纤测量方法大多是点式传感，其测量结果仅反映被测点局部受力情况，可能会引起测量误差，本发明在cfrp桁架制作时，把光纤光栅植入到桁架体内部，在悬浮隧道建造运营期间，可监测桁架收缩应变和刚度变化情况，为用于承载水动力的桁架式结构的工作安全状态提供一种长期、稳定、可靠的监测手段，可以实现对桁架的工作性态实时监测，达到全生命周期预警的目的，出现问题可以及时维修，提高结构使用寿命。