CN1696415A - 在海底土壤上修建沉埋隧道的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在海底土壤上修建沉埋隧道的方法和设备。该隧道由通过一种适于在陆地和浸液运作的机器(M)在水中海底土壤上的移动以相继的隧道管段建成，该机器包括用于容纳工作人员及修建所需装置的流体密封工作空间(6)，该空间具有向后开通的用于在机器的后面修建和安装管段的通口，所述机器在其前部包括配备有用于准备和平整土壤以为安装管段做准备的装置(21－23)的可压载舱(7)。本发明涉及在水域的底部修建隧道的应用。

Description

在海底土壤上修建沉埋隧道的方法和设备

技术领域

本发明涉及在水域下修建(建造)沉埋隧道。

背景技术

已经提出了在水域下、通常是在海水水域下修建隧道的许多技术。

一些技术涉及例如在公报DE50882、JP9316901、GB348204、EP0899422、JP09-273382、JP2024489、US1441698及US4889448所说明的主要在水域底部地面下修建隧道的情况。

事实上，当用于修建通过山岭的隧道时，在这种情况中一种普遍的解决方案在于，使用隧道掘进机钻土壤，将钻出的材料移到隧道掘进机的后面，随着隧道掘进机的推进以相继的管段(管节)修建隧道。

以这种方式在水域底部下修建的隧道具有不构成阻碍水上交通的优点，但是相反，在其它缺点中具有要求修建引道(approach)工程的缺点，该引道工程的长度与隧道在水域底部下所处的深度成比例。

本发明涉及部分或全部在水中的天然或人工海底或河底土壤(土地)上修建隧道的情况，在下文中措辞“海底土壤”可作为包括所有这些情况。

公报DE3333850说明了以在流体密封坑道中预制并逐步推入到水中它们的工作位置的相继管段修建隧道的技术。

另一种标准技术在于，在水面上(在陆地上或浮动平台上)制作环形隧道管段，然后将它们运送到它们的沉放位置，再将它们下沉到海底土壤上的它们的最终位置，最后将它们组装在一起。

这种技术需要具有适合用于放置能够修建管段的浇口盆的场所或者用于沉放在陆地上预制的管段的便利设施，这种技术还造成对水上交通的主要干扰，具体地是因为管段通常非常长，数十米或甚至一百米或更长。

发明内容

本发明的一个目的是，避免修建复杂的陆地基础设施(浇口盆或沉放设施)，相当大地降低航行干扰，以及降低修建成本和定货至交货的时间。

本发明的一个方面是一种方法，其特征在于，标准沉埋管段通过一种适合于浸液操作并根据需要沿预定隧道方向在水中前进的机器在海底土壤(其为天然的、预制的、人工的或由初步开挖或回填带来的)上制作，而该机器包括在大气压力下适于保护工作人员及修建和现场安装管段所需的装置的流体密封工作空间；隧道在修建过程中保持流体密封；在已建成的隧道部分与机器的工作空间之间提供充分大的连通空间以能够修建并安装新的管段；并且在隧道建造过程中隧道根据需要用于将制作管段所需要的元件(部件)运输到工作空间中。

在实施过程中，本发明的方法可以单独地具有一个或组合地具有多个下述附加的优选特征：

·隧道用相继的不超过几米长的短管段修建，优选小于3米的单位长度；

·当机器前进时其通过与所述机器成一体的工具用于部分地或全部地准备海底土壤，从而为铺设隧道做准备；

·通过平整土壤或在土壤上铺设的层来准备土壤；

·沿着预定修建方向开挖沟槽，如果需要的话，可添加基础材料，并且平整该沟槽；

·随机器的前进，通过与机器成一体或来自于已建成的隧道内的工具巩固土壤或改进土壤的承载能力；

·机器在已安装的尾部管段前面的海底土壤上递增地移动，以在任意时机建造安装随后管段及注入其永久基础所需的空间；

·通过推动机器使其离开已建成的隧道部分而在海底土壤上前进；

·通过千斤顶(推顶装置)获得向前的推力；

·朝向已建成的隧道部分的向后的保持拉力根据需要被施加到机器上，以有助于机器导向，压紧横向密封件，以及当作用在机器上的正(面)流体静压推力不足时确保已安装的尾部管段的暂时稳定性；

·该拉力由经由贯穿已建成的隧道部分的绳索连接到机器的牵拉装置施加；

·该机器配备有用于调整机器保留在土壤上的支承力并有助于机器在垂直平面内导向的可压载(平衡)舱；

·在可压载舱中设有用于准备土壤和/或处理土壤以巩固土壤或改进土壤承载能力的工具；

·该机器还用于修建隧道的非浸埋、部分浸埋和/或轻微浸埋的引道部分。

可通过任何适合的方法修建隧道的各个管段，包括预制部件的组装以及现场浇注混凝土。

在一种具体方法中，各管段作为一个环修建，该环通过一个位于流体密封工作空间中的固定或可动装置组装管段管片并且在管片之间设置纵向密封件而获得。

根据本发明，为了补偿在隧道没有浸埋或仅轻微浸埋的引道段中作用在隧道上或作用在机器前部上的流体静压力的任何局部缺乏或不足，以及为了改进标准管段的独自稳定性，设置有用于在管段安装后通过在管段上预施加横向应力而压紧管段管片之间的密封件的装置。

本发明还涉及用于实施该方法的设备。

该设备包括：

·适合于浸液运作的机器，它包括一个在大气压力下适于保护工作人员和修建管段所需的装置的内部流体密封工作空间，所述空间通向已建成的隧道部分以能够修建新的管段；

·用于确保围绕工作空间和已建成的尾部管段之间的通口的流体密封的装置；

·用于准备隧道基础的装置；

·用于使机器在海底土壤上可控地向前移动以便根据需要建造修建新管段所需的空间的装置；

·用于在隧道修建过程中确保隧道流体密封的装置；

·用于控制机器施加在海底土壤上和作用在隧道上的力的装置；

·用于通过隧道向机器运送修建管段所需的元件和动力供应(能源)的装置。

在具体实施例中，用于实施所述方法的设备优选地单独具有下述一个或组合地具有下述多个特征：

·根据修建隧道管段的需要，该机器配备有用于局部改进海底土壤状态的土壤准备装置；

·所述土壤准备装置包括机器人或其它形式的平整装置和/或土壤巩固装置；

·该平整装置包括用于平整原始土壤或预先铺设在所述土壤上的地层的工具，也可以包括用于在控制室中检查和/或观察平整状态的装置；

·该平整装置包括装配到安装在位于一个或多个水平梁上的滑块上的臂上的平整工具；

·该机器具有用于调整机器在海底土壤上的支承力的可压载舱；

·可压载舱的底部打开，平整装置容纳在可压载舱内或可收回到所述可压载舱内，该机器配备有用于根据需要向可压载舱中注入压缩空气的装置；

·本发明设备包括用于当作用在机器上的正流体静压推力不足时提供用于保持机器靠在隧道上的力的装置；

·所述装置是对机器施加向后的拉力的牵引装置；

·所述牵引装置包括位于机器后面一定距离处并经由贯穿已建成的隧道部分的绳索连接到机器的牵拉装置；

·该机器配备有向机器施加推力以使其向前移动并控制其沿隧道修建方向的轨道(轨迹)的装置；

·所述工作空间配备有用于处理管段的预制管片以修建隧道管段的装置；

·该机器配备有定位成向机器施加使其离开已建成的尾部管段的推力的千斤顶；

·所述流体密封空间配备有用于向由于机器前进而在土壤与形成隧道的管段下侧之间留下的空间内注入填充材料的装置；

·该机器包括配重舱；

·该设备包括最大为几米单位长度的隧道预制管段或用于修建这种管段的管段管片；

·该设备包括总体上小于约3米单位长度的隧道预制管段或用于修建这种管段的管段管片。

因此，在其最详尽的细节中，本发明在于通过满足下述功能的专用浸液机器在海底土壤上递增地修建隧道：

·保护(并且根据需要支承)对构成将来的隧道的壳体或所述壳体外壳的修建；

·随着隧道推进，工作人员和装备逐渐移动；

·用于任何辅助工程(基础平整、开挖(疏浚，挖掘)、填实下面的仰拱、回填、保护和土壤处理等)的工作台；

·在已建成的隧道部分和机器自身本体之间的暂时流体密封。

因为约束并不相同，所以隧道构造可不同于传统埋管隧道的构造：

·它可以全部或部分地由预制或就地浇注的管段制造，不论是预施加应力或其它形式；

·可以修建一排或多排圆柱或分割壁以提供一条或多条中间支承和/或在分割壁情况下的密封隔离；

·与传统隧道的情况一样，它可以由通过确保相对于任何种类的隧道变形的流体密封和挠性的密封件连接在一起的管段制成；

·为防水或提高刚度，可以修建第二隧道壁；

·与传统隧道的情况一样，它可以由通过确保相对于隧道不同移动的流体密封和挠性的密封件连接在一起的管段制成。

附图说明

下面将参照附图对采用本发明修建的实施例进行示意性地说明，其中：

图1为根据本发明要修建的隧道示例的纵向示意图；

图2为已建成的隧道部分以及根据本发明设计并用于修建隧道的机器的纵向截面图；

图3至图5是沿图2中平面1-1、2-2及3-3的横截面图；

图6为完成的隧道的标准管段的横截面图；以及

图7为修建中的隧道的纵向示意图，示出后部牵引系统。

具体实施方式

图1非常示意性地示出铺设在水域3下的土壤2上的沉埋隧道1。该隧道包括延伸到地面上例如水域3的岸或堤岸4和5上的两引道部分1a、1b，以及主浸埋部分1c。在修建完成以后，隧道已经被(可选择的)防护填充物K覆盖。

隧道的浸埋部分以及优选的延伸到地面上的引道部分和稍微浸埋的部分由相继的管段建成，管段的横截面根据隧道的使用以已知方式确定。

在该示例中，图2至图6的横截面图示出横截面构成“8”形状的双道双隔室隧道的标准管段。

根据本发明，该隧道以约1米单位长度的相继管段建成。

图2示出已经位于适当位置并开始安装的新管段的六个管段T1-T6。

用于根据本发明的机器M仅非常示意性地示于图3中，但这对本领域的技术人员来说已足够。

示意性地示于图7的拖车R安装在该机器的后面并连接到该机器上。这些在陆地隧道掘进机技术中已知的拖车携带运作该机器所必须的辅助装备以及各种后勤供应，例如洞腔水泥浆、压缩空气、电、水、流通空气和隧道管片等。

该适于浸液运作的机器包括工作空间6、可压载舱7以及若有必要一个示意性地示作L的配重舱。这些配重用于局部并暂时地补偿相对于浮力不足的任何隧道重量。

工作空间6在其外围及前部(隧道前进的方向上)流体密封，而且其通过流体密封的盾尾钢壳(tailskin)27连接到已建成的隧道部分。该工作空间设计成容纳工作人员和至少在修建要建成的标准管段时所需要的任何事物。

例如，隧道的标准管段为由依照要求从岸或堤岸通过已建成的隧道部分运送到工作空间的预制管片组成的环，工作空间配备有用于夹紧管片并将管片放置到形成环形管段的位置的适当装置(例如起重臂)。

这些装置可以与那些用于陆地隧道掘进机中设计用来修建并安装用于岩石钻体隧道中环的管片的装置相似。

因此，图2仅采用牢固地安装到纵向支承件8’上设计用于夹紧管段管片并将其放置于工作位置的横向枢转臂8，示出这些修建和安装工具的示意性代表。

为了保持图形整齐，等待被夹紧并安装的管片的库存(stock)未示出。

在图2的横截面中仅示出环T7的一个管片V。

在代表该实施例的构造中，在图5中该环由从V1到V11的11个管片V组成，一个垂直中央壁12分开隧道的两个隔室。

(未示出的)密封件以在陆地隧道管片修建技术中已知的方式确保在管片之间以及管段之间流体密封。

工作空间6配置有千斤顶P，用于：

·推进机器向前以建造安装隧道环形管段所需的空间；

·操纵并导向位于土壤上的机器；

·在隧道壁上施加纵向预应力以保持压紧的环之间的密封件并有助于铺设的尾部环的纵向稳定性。

这些千斤顶一方面推压构成工作空间前面的盾构(shield)的前壁14，另一方面推压安装的尾部管段。为了安装管段中的新管片，除了那些在要安装的新管片之后的千斤顶以外，其它千斤顶被致动顶压前面已安装的管段管片，如图2所示千斤顶P1已经收回以便用于管片V的安装。

在实践中，如图4所示，优选地每一管段管片具有至少两个千斤顶。

在工作空间6的前面，机器具有在前面和底部打开的可压载舱20，该可压载舱20包含安装成向前和向后以及横向枢转的臂21，而臂21可以在一个或多个水平梁22上移动。

这些臂携带平整工具23。

最普遍地，可从图6中更好地看到，一旦沟槽的底部2已准备好，例如通过从地面开挖，一超厚的基础层24便铺设在底部上，并且机器的平整工具用于刮去如图2所示那层的侧面和前面顶部的多余厚度24a，从而使基础层成形。

当管段已经安装完成时，随着机器前进的同时，一隧道支承层25从机器中注入到管段(图5)下面，用于补偿机器的盾尾钢壳27的厚度(见图7)，该机器配备有用于此目的的装置(图中未示出该装置)。

在工作空间6中存在一个用于将压缩气体注入到在水上的可压载舱中的装置26。

该注入用作控制机器在垂直平面内的倾斜和导向，并且用于调整机器前部施加在土壤上的支承力。

为了确保机器作用在隧道上的压力和隧道管段之间的密封件的压紧，在机器的前部缺乏足够的流体静压推力时(在隧道深度浅的情况下以及在隧道没有浸埋或者仅轻微浸埋的引道段的情况下)，通过一个设置在隧道中或沉放岸或堤岸上并通过例如绳索29连接到机器的千斤顶或绞盘型装置28向机器施加一朝向隧道方向的拉力。

这些工具仅示意性地示于图7中。

当在管段上的流体静压力不足时，这些管段被横向预施加应力，如在图6中以绳索30形式示意性地示出的那样。

例如通过互锁连接器，通过螺栓连接和/或通过暂时或永久的预加应力棒或通过示意性地示于图6的绳索31，管段相互连接在一起。

通常用于连接两岸或堤岸的隧道具有也优选地由该机器修建的两引道部分。

本发明不局限于所述的示例。

Claims (35)

1.一种用于在天然或人造海底土壤上修建全部或部分沉埋隧道的方法，其中该隧道用相继的隧道管段建成，其特征在于，通过一种适于浸液运作的机器在海底土壤上修建标准沉埋管段，该机器根据需要在海底土壤上沿着预定的隧道方向在水中向前移动，所述机器包括在大气压力下适于容纳工作人员及用于修建和现场安装管段所需装置的流体密封工作空间；隧道在修建过程中保持流体密封；在已建成的隧道部分与所述机器的工作空间之间保持开通一个充分大的连通空间，以允许修建并安装新管段；并且在隧道修建过程中隧道可根据需要用于将管段的组成部分运送到所述机器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述隧道用相继的优选小于3米长的短管段建成。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过沿着预定安装方向开挖沟槽以及随后对该沟槽的底部进行平整而准备海底土壤。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，铺设基础材料以准备海底土壤。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述机器为了安装隧道而前进时，所述机器利用与其成一体的工具部分地或全部地准备海底土壤。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，当所述机器前进时，利用与所述机器成一体的或来自于已建成的隧道内的装置巩固土壤或改进土壤的承载能力。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过推动所述机器使其离开已建成的隧道而在海底土壤上前进。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，推力由千斤顶施加。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，朝向已建成的隧道部分的约束拉力根据需要被施加到所述机器上，以有助于机器导向，压紧横向接缝，以及当作用在所述机器上的正流体静压推力不足时确保已安装的尾部管段的暂时稳定性。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述拉力由经由贯穿已建成的隧道部分的绳索连接到所述机器的牵拉装置施加。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述机器配备有用于调整所述机器保留在土壤上的支承力并有助于所述机器在垂直平面内导向的可压载舱。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，用于平整和/或巩固土壤或改进土壤承载能力的工具位于所述可压载舱中。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其特征在于，各管段是通过借助位于所述流体密封工作空间中的固定或可动装置在现场组装管段管片并在管片之间设置纵向流体密封件而建成的。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在管段安装完后，通过管段的横向预应力改进标准管段的独自稳定性并压紧管段管片之间的流体密封件。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于，所述机器在已安装的尾部管段前面的海底土壤上递增地移动，以便在任意时机建造用于安装随后管段并注入其永久基础所需的空间。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述机器用于修建隧道的非浸埋、部分浸埋和/或轻微浸埋的引道部分。

17.用于实施根据权利要求1-16中任一项所述的方法的设备，其特征在于，所述设备包括：

·适合于浸液运作的机器(M)，它包括内部在大气压力下适合容纳工作人员和修建管段所需的装置的流体密封工作空间(6)，所述空间通向已建成的隧道部分，以允许修建新管段；

·用于确保围绕所述工作空间和已建成的尾部管段之间的通口的流体密封的装置(27)；

·用于准备隧道基础的装置(21-23)；

·用于使所述机器根据需要在海底土壤上可控地向前移动以便提供修建新管段所需的空间的装置(P)；

·用于控制所述机器施加在海底土壤上和作用在隧道上的支承力的装置(28、29)；

·用于通过隧道将修建管段所需的元件和动力运送到所述机器的装置(R)。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述机器配备有用于局部改进海底土壤状态以便为修建隧道管段做准备的土壤准备装置(21、23)。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述土壤准备装置包括机器人或其它形式的平整装置(21、23)和/或土壤巩固装置。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述平整装置包括用于平整原始土壤或预先铺设在所述土壤上的地层的工具(23)。

21.根据权利要求19或20所述的设备，其特征在于，所述机器包括检查和/或观察平整状态的装置。

22.根据权利要求19-21中任一项所述的设备，其特征在于，所述平整装置包括装配到可滑动地安装在一个或多个梁(22)上的臂(21)上的平整工具(23)。

23.根据权利要求17-22中任一项所述的设备，其特征在于，所述机器包括用于调整所述机器施加在海底土壤上的支承力的可压载舱(7)。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述可压载舱(7)的底部和前部打开，所述平整装置(21-23)容纳在所述可压载舱内或可收回到所述可压载舱内，所述机器配备有用于根据需要向所述可压载舱中注入压缩空气的装置(26)。

25.根据权利要求17-24中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于当作用在所述机器上的正流体静压推力不足时施加所述机器作用在隧道上的推力的装置。

26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述牵引装置包括位于所述机器后部并经由贯穿已建成的隧道部分的绳索(29)连接到所述机器的牵拉装置(28)。

27.根据权利要求17-26中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于向所述机器施加推力以使其向前移动并控制其沿隧道安装方向的轨道的装置(P)。

28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述机器配备有定位成向所述机器施加使其离开已建成的尾部管段的推力的千斤顶(P)。

29.根据权利要求17-28中任一项所述的设备，其特征在于，所述工作空间(6)配备有用于操作预制管段管片(V)以修建隧道管段的装置。

30.根据权利要求17-29或30中任一项所述的设备，其特征在于，所述流体密封工作空间配备有用于向由于所述机器前进而在土壤(2)与形成隧道的管段下侧之间留下的空间内注入填充材料(25)的装置。

31.根据权利要求17-30中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括在隧道管段中施加横向预应力的装置(30)。

32.根据权利要求17-31中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括在隧道管段中施加纵向预应力的装置(31)。

33.根据权利要求17-32中任一项所述的设备，其特征在于，所述机器包括配重舱(L)。

34.根据权利要求17-33中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括不超过几米单位长度的隧道预制管段或用于修建这种管段的管段管片。

35.根据权利要求34所述的设备，其特征在于，所述装置包括总体上小于约3米的单位长度的隧道预制管段或用于修建这种管段的管段管片。

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