淺析漂浮隧道的建造

淺析漂浮隧道的建造

0漂浮隧道的建設(shè)背景和意義在這個世界上，溫室效應(yīng)加速了海平面的上升，極端天氣頻繁，人口數(shù)量達到兩三年前100%。面臨的挑戰(zhàn)有糧食、可居住的土地，以及綠色清潔能源的生產(chǎn)與運輸。為解決上述問題，海上風(fēng)電、漂浮光電等離岸新能源已大規(guī)模發(fā)展，漂浮農(nóng)場和海上牧場等已有實施，漂浮城市和漂浮島嶼等人類與水共存的新生活方式已成為嚴(yán)肅的研究課題。懸浮隧道作為漂浮結(jié)構(gòu)與其自身和大陸之間的交通和物資運輸紐帶，其真正意義上的實現(xiàn)刻不容緩。盡管以往已有大量研究，但對實驗工程及實現(xiàn)方法（施工建造）的描述仍是空白。1介紹1.1挪威離岸巖土工程的工程經(jīng)驗與規(guī)范懸浮隧道概念的提出是在近兩世紀(jì)前或更早盡管自1872年甚至更早就有懸浮隧道的發(fā)明專利錨纜懸浮隧道技術(shù)儲備現(xiàn)狀表明，離岸巖土工程經(jīng)由深海油氣而發(fā)展，已具有相當(dāng)豐富的工程經(jīng)驗與規(guī)范指南和科技成果在全局水池物理模型試驗方面，挪威大約于20世紀(jì)90年代已開展過試驗。中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組2018—2019年開展了1∶50、模型水深2m、管體有效長度24m的錨纜懸浮隧道物理模型水池試驗1.2懸浮隧道的競爭優(yōu)勢文獻文獻文獻1.3隧道工法的優(yōu)勢根據(jù)以上文獻分析，確定實驗工程選址原則：1）水深100～200m左右，若再淺沉管或盾構(gòu)隧道工法更具備競爭力，若再深基礎(chǔ)的投入過大。2）長度1～2km，與索橋相比較具有競爭力，且具備水彈性觀測意義。3）由于較大波浪影響所帶來的懸浮隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不確定性，確定實驗工程（也將是世界首條錨纜懸浮隧道）在風(fēng)平浪靜、水位變化小、弱水動力環(huán)境的內(nèi)陸湖建造。文獻2施工方法和關(guān)鍵技術(shù)2.1實驗工程的主要構(gòu)成考慮實驗規(guī)模，斷面按單車道設(shè)置（圖1(a）），外徑7.7m。為確保安全，墻壁采用鋼殼和鋼筋混凝土的復(fù)合結(jié)構(gòu)，壁厚（0.04+0.51)m。完工后，隧道一般段的延米重量約42t/m，浮力47t/m。也即具有47-42=5t/m的凈浮力（RB），浮重比（BWR)47/42=1.12。懸浮隧道由懸浮的管體（主結(jié)構(gòu)）、岸邊的沉井以及錨泊系統(tǒng)構(gòu)成。錨泊系統(tǒng)由水底的混凝土“沉船”、連接沉船和管體的豎向錨纜、錨纜上端的長度調(diào)節(jié)構(gòu)造，以及錨纜下端的快速錨定與更換構(gòu)造組成（圖1(b））。我國某內(nèi)陸湖水深最深處達170m，斷面寬度較窄處約1700m，考慮兩頭錨固嵌入長度各20m，管體結(jié)構(gòu)總長暫定為1740m。錨纜懸浮隧道運營時為正浮力，對自身的重量控制要求高，否則就會沉沒，而傳統(tǒng)橋隧工程在運營期通常不存在這方面的顧慮。通過3個措施滿足：1）管體漂浮階段通過干舷測量和調(diào)節(jié)確保重量精確控制；2）路面下方留有2m淹沒水深，也即管體外緣到水面的豎向凈距離，考慮以下因素：1）歷史極端低水位，確保隧道不失去浮力；2）施工期和運營期水上活動不受影響；3）管體所處深度水動力作用弱；4）與兩岸沉井施工的地貌和地質(zhì)相匹配，盡量減少填挖方量。實驗工程的主要建設(shè)步驟為：1）管體整體預(yù)制與浮態(tài)寄存。2）兩岸沉井施工與對接準(zhǔn)備。3）沉船預(yù)制、浮運、沉放與加載。以上3項工作可同步開展。全部完成后，進行管體安裝。4）管體牽引、下沉，并與沉井連接。5）管體與沉船連接和重量轉(zhuǎn)換。以下對主要建設(shè)步驟展開討論。2.2管體系內(nèi)的預(yù)制和系泊漂浮”布置基坑內(nèi)流水線作業(yè)從左往右進行，工作流程是：1）在干塢區(qū)進行新預(yù)制段的鋼殼、鋼筋、內(nèi)模與尾部端模的組裝；2）完成后，智能臺車將其向前運輸，通過內(nèi)側(cè)塢門，并與前一個完成的預(yù)制段首尾連接，在干環(huán)境下形成整體，實現(xiàn)方法為：縱向鋼筋通過機械接頭連接，外鋼殼通過焊接連接，以前個預(yù)制段的尾端作為端模澆筑新預(yù)制段的混凝土；3）新預(yù)制段安裝尾端臨時端封門；4）內(nèi)側(cè)塢門關(guān)閉，外側(cè)塢門打開，水灌入干濕交替區(qū)，智能臺車（類似深中通道沉管鋼殼運輸臺車）配合下降，新預(yù)制段與臺車脫開并得以起?。?）整體向前絞移一個預(yù)制段的長度（通常25m），關(guān)閉外側(cè)塢門（也即外側(cè)塢門夾著新預(yù)制段的尾部，如圖2);6）干濕交替區(qū)排水，新預(yù)制段尾端臨時封門打開，內(nèi)側(cè)塢門也打開，進而允許上述第2步的平行作業(yè)；7）測量干舷高度，通過預(yù)制素混凝土塊壓載將漂浮段的平均干舷高度降低至0（隨遇平衡狀態(tài)）或10cm。預(yù)制與系泊（漂浮寄存）總體布置見圖3。重復(fù)以上步驟70次，可完成1740m長的管體的整體預(yù)制和系泊（由68個25m預(yù)制段和2個20m預(yù)制段組成）。為避免管體系泊對湖面交通產(chǎn)生較大的影響，圖3的基坑與岸邊呈夾角建設(shè)。內(nèi)側(cè)塢門可采用常見的泄洪閘門。外側(cè)塢門見圖2。由門框（門檻）和上、下半幅和預(yù)制段組成。上半幅通過機械驅(qū)動實現(xiàn)塢門的開合與關(guān)閉。下半幅設(shè)計成自浮以適應(yīng)潮漲潮落：與漂浮管體一道上下運動。上、下半幅與門框和管體及自身之間均設(shè)置臨時橡膠止水帶。這些止水帶能適應(yīng)較大的變形并確保施工期臨時止水（例如港珠澳島隧工程使用的M止水帶2.3沉井施工要點挪威峽灣兩岸是巖質(zhì)地層。岸邊接頭的準(zhǔn)備方法是通過從岸邊往水中開挖、預(yù)留最后一塊圓弧狀石門。在管體安裝前，將該石門向內(nèi)爆破，破碎的石塊落入預(yù)先準(zhǔn)備的采集坑內(nèi)沉井可在岸邊的陸上施工亦可在水中施工，取決于地貌。沉井用于懸浮隧道岸邊連接的要點是：1）井壁在對接側(cè)預(yù)先開洞并安裝臨時封門。由此帶來的下沉重量偏心問題通過另一側(cè)井壁厚度修正；臨時封門在水下通過潛水員配合拆除。2）管體插入前，清除插入通道上的淤泥（圖4(a））；到了運營期，管體與沉井連接部位隨著時間發(fā)生淤積是允許的，可帶來額外安全儲備（圖4(b））。3）沉井封底后，必要時在沉井下方施工樁基礎(chǔ)，確保沉井與岸邊的錨固可靠。4）沉井幾何尺寸根據(jù)地質(zhì)條件、錨固需求、管體安裝所需的平面扇形空間（見2.5節(jié)）綜合確定。2.4船浮式防滑樁管體運營時凈浮力5t/m，對于1740m懸浮段，每隔150m設(shè)置1處錨固斷面以平衡浮力，共需設(shè)置11個。每處斷面通過4根垂向錨纜連接至湖底的混凝土沉船。參考圖1(b）。為了拉住管體，若按1.5倍安全系數(shù)，沉船在水下的浮重量需要不少于150×5×1.5=1125t。由此得到沉船平面尺寸16m×12m、高5.5m。11個混凝土沉船依次在岸邊澆筑，干重量870t，下水后干舷約1m，浮運至隧道軸線上，再由臨時安裝浮體吊放、下沉至水底，此時沉船浮重量（負浮力）530t，最終重量通過漂浮平臺及導(dǎo)管往沉船內(nèi)（分倉）澆筑壓載混凝土來實現(xiàn)。為預(yù)防運營期沉船滑移或發(fā)生地基傾覆，沉船底部設(shè)置裙邊沉船上連接4根錨纜分擔(dān)750t凈浮力，允許1根纜更換或意外破斷時另外3根可自持。選用公稱直徑112mm、橫截面面積8910mm以上工作及管體安裝工作（見2.5節(jié)）完成后，測量管體錨點與沉船錨點之間的相對距離，確定每根錨纜的制造長度，并精確制造。2.5管體兩端接入邊的沉井預(yù)制完成的管體與3艘臨時安裝浮體通過豎向纜索連接（類似沉管隧道的沉放作業(yè)），管體絞移至隧道軸線附近，通過管內(nèi)的壓載水消除10cm的干舷并產(chǎn)生平均0.1t/m的微負浮力。然后通過安裝浮體放纜，實現(xiàn)管體逐步下沉。安裝階段，為了最小化結(jié)構(gòu)變形，3艘安裝浮體設(shè)置在管體長度1/6、1/2、5/6的位置；帶纜階段（2.6～2.7節(jié)），為了兼顧最小化管體內(nèi)力，安裝浮體位置最終選在了第2、6、10艘沉船的正上方。下沉階段的計算結(jié)果表明管體兩頭撓度不超過0.5m，管體中間段撓度不超過0.05m，管體內(nèi)力均較小，不控制結(jié)構(gòu)方案。下一步作業(yè)是管體兩頭插入岸邊的沉井。由于管體兩頭有額外的嵌固段，意味著管體平面投影長度大于兩岸的凈距，對于如何實現(xiàn)水下對接的問題，文獻考慮降低水下對接的難度，本文給出另一種解決方案：管體兩頭先后插入岸邊的沉井。首先，令管體與其最終位置軸線呈15°平面夾角，一端的頭部對準(zhǔn)岸邊沉井的預(yù)留孔洞（此時沉井的臨時封門已拆除），這時管體在其最終位置豎面的投影長度縮短了1740×（1-cos15)=60m，所以是可行的。接著，管體向前絞移，一頭插入沉井內(nèi)45m，再以插入點為旋轉(zhuǎn)軸，平面反方向旋轉(zhuǎn)15°，此時管體另一頭與岸邊仍有5m凈距。最后，將管體反方向絞移（后退）25m。這時管體兩頭均插入沉井，且插入深度均為20m。通過井壁與管體外緣接觸部位設(shè)置的環(huán)向注漿止水囊袋（日本沉管V-Block施工已有先例2.6種快速連接的雙網(wǎng)作業(yè)原理水中的管體（淹沒水深20～30m）與水底11艘沉船（最深170m）通過44根豎向錨纜連接。首先連接錨纜的下端與湖底的沉船。圖5為一種快速連接設(shè)想，可結(jié)合水下機器人操作實現(xiàn)。沉船上相應(yīng)設(shè)置鋼箱預(yù)埋件作為錨點。施工容差與運營期錯動適應(yīng)能力通過球面構(gòu)造實現(xiàn)。該操作也可逆向執(zhí)行，用于運營期更換錨纜。然后，連接錨纜的上端與管體的錨點，并進行長度調(diào)節(jié)（張緊）。通過水下液壓千斤頂實現(xiàn)，作業(yè)原理見圖6。當(dāng)需要調(diào)節(jié)的長度超過千斤頂行程時，就多次重復(fù)圖6(b）的步驟。2.7管體體系轉(zhuǎn)換階段由于錨纜式懸浮隧道需要較大的浮重比來確保運營期錨纜不發(fā)生松弛與彈振，懸浮隧道施工階段的壓載重量需求遠大于傳統(tǒng)的沉管隧道，采用壓載水的方式不再適宜。因此實驗工程提出往管內(nèi)運輸混凝土塊，并結(jié)合路面下進水的組合壓載方式（圖7）。前者負責(zé)預(yù)制階段將漂浮狀態(tài)管體干舷盡可能降低，后者負責(zé)沉放階段將管體調(diào)整成0.1t/m負浮力狀態(tài)。素混凝土塊通過軌道或臺車在管體預(yù)制時從基坑側(cè)運入漂浮的管內(nèi)（每個預(yù)制段平均放置4個26t的混凝土塊）。管體插入沉井、其端封門打開后，再將混凝土塊從一端運出，并同步抽出路面下方多余的壓載水。進而將管體0.1t/m負浮力從一頭到另一頭逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?t/m的正浮力。為控制隧道線形和受力，以上卸載工作需要與第2.6節(jié)描述的錨纜連接與張緊工作交替進行，全部完成后，3艘安裝浮體可撤離，見圖8。該過程可稱為管體的體系轉(zhuǎn)換。圖9是管體安裝及體系轉(zhuǎn)換不同階段的豎向撓度計算結(jié)果。采用該方法，管體豎面線形最終將趨向理想狀態(tài)，纜力實現(xiàn)較均勻的分布。彎矩和內(nèi)力結(jié)果表明全過程管體斷面彎矩或剪力的最大值均不超過其結(jié)構(gòu)承載力的20%。2.8地面拼接施工設(shè)施將小型鋼浮箱（外輪廓尺寸諸如2.5m×3m×4m）陸運至水邊，卡車卸貨入水，在湖面上拼接成臨時漂浮施工設(shè)施，包括：沉船用安裝船（由64個鋼浮箱組成）、水下導(dǎo)管混凝土澆筑平臺（30個）、管體用安裝船（3×16=48個）以及錨纜安裝、水下機器人和潛水員作業(yè)等漂浮平臺。前兩者使用后可拆除、重新拼裝可用于后續(xù)漂浮平臺周轉(zhuǎn)使用。2.9隧道安全體驗主要工程量統(tǒng)計見表1。建造計劃估算結(jié)合前文和沉管工程經(jīng)驗3“安全體驗”與基本計算作為實驗工程及首個錨纜懸浮隧道，確保使用者的安全體驗，或稱為結(jié)構(gòu)的本質(zhì)安全，十分必要。1）在撞擊、沖擊等意外發(fā)生時，鋼殼和混凝土能獨立承載和防水。也即，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)受損時，外層鋼殼結(jié)構(gòu)能夠確保管體的整體性和不漏水，允許修復(fù)的時間。反之亦然。2）隧道豎面線形設(shè)計成單向坡，確保水不在隧道內(nèi)累積，隧道永不沉沒。3）允許同側(cè)或左右一對錨纜失效。4）盡管實際不允許發(fā)生，設(shè)計計算時仍需滿足結(jié)構(gòu)體系能允許較大的施工容差和錨點變位。3.1初始荷載作用采用有限元程序、擬靜力計算方法。模型參數(shù)。管體長度取1800m；簡化為梁單元；斷面抗彎剛度EI=3.96×10主要荷載工況與作用。1）施工工況：(1)管體繞其一頭旋轉(zhuǎn)，牽引速度0.3m/s對應(yīng)轉(zhuǎn)動角速度0.01（°）/s;(2)管體下沉；(3)體系轉(zhuǎn)化。后兩者上文已討論。體系轉(zhuǎn)化的最后一步為運營初始工況，也即5t/m向上的凈浮力與向下的錨纜初張力的平衡狀態(tài)。2）運營期特征水流荷載，參考文獻3.2主要結(jié)果3.2.1支撐剛度與體系轉(zhuǎn)換管體預(yù)制期間，經(jīng)歷了從短到長、從半漂浮的剛體到漂浮的細長桿的過程，管體漂浮在水面上的“支撐剛度”由其水面線面積決定，立（豎）面一階自振周期從0逐漸增大至12.23s。下沉階段，立面一階自振周期53.49s，與岸邊固結(jié)后，減小至25.04s，體系轉(zhuǎn)換完成后進一步減小至5.23s。管體的平面一階自振周期為145.17s。3.2.2管體結(jié)構(gòu)參數(shù)按照上文所述斷面和墻壁構(gòu)造，考慮材料折減系數(shù)后的管體結(jié)構(gòu)抗彎承載力為12.2×10為研究結(jié)構(gòu)體系的“安全體驗”和各項不利作用的貢獻比例，將水平響應(yīng)、豎向響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)，以及軸向效應(yīng)分開觀察。1）管體平面最大響應(yīng)：由均勻滿布水流（帶1.155荷載分項系數(shù)，簡寫為“×1.155”）、地震水平作用（×0.8），以及水平定位系統(tǒng)偏差與豎向定位系統(tǒng)偏差的組合（×1）組成。此時管體中部撓度超過7m，接近L/250的極限，L為管體長度。撓度最大值及構(gòu)成見圖11。該工況的最大剪力使用到斷面能力的13%，彎矩用到30%。2）上拱的管體立面的最大響應(yīng)：由初始狀態(tài)（×1.1）、豎向定位系統(tǒng)偏差（×1）、管體頭部左右一對錨纜破斷（×0.8），以及地震豎向作用（×0.8）組成。此時斷面最大彎矩用到其抗彎承載力的31%（圖12）、剪力用到30%、撓度最大為1.8m。3）下?lián)系墓荏w立面的最大響應(yīng)：由初始狀態(tài)（×1.1）、車輛荷載與附加重量（×1.155）、管體端部豎向定位偏差（×1），以及地震豎向作用（×0.8）組成。此時管體剪力用到35%（圖13）、彎矩用到27%、撓度最大為1.7m。4）管體扭轉(zhuǎn)響應(yīng)較小。不利作用的主導(dǎo)項為管體一端或中間單側(cè)的兩根錨纜破斷。5）管體與兩岸沉井若在冬日通過混凝土澆筑永久鎖定，當(dāng)夏日升溫時，如果管體端部軸向運動受限，易發(fā)生在平面上的壓桿失穩(wěn)（必要時在管體與一側(cè)沉井連接部位，研發(fā)適應(yīng)2～3m軸向大幅度伸縮的特殊接頭）。如果施工時選擇夏日鎖定，冬日降溫后管體會產(chǎn)生最大近9000t軸拉力，而管體抗拉承載力約為40000t，兩者之比為23%。最后，將上述平面與立面的最大彎矩求平方根之和得到空間最大彎矩