悬浮隧道工程研究方法及结构与设计方法研究

林巍 ，林鸣 ，尹海卿 ，刘晓东

（1.中交悬浮隧道结构与设计方法研究攻关组，广东 珠海 519000；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；3.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；4.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

“我们既盼望那一天（2017年5月2日）早一点到来，又希望那一天永远不要到来”。这句话反映了中交港珠澳大桥岛隧工程在沉管最终接头[1-2]水下安装合龙前的体验。前半句是对工程创新实践结果的期待，后半句是对向未知领域迈进所必须承担工程风险的认识。工程创新本质是通过“一系列冒险活动”，使少数的人让多数的人、现在的人让未来的人“少冒险”或“不冒险”，从而获得更经济、更安全、更先进、更可持续的解决方案[3]。

19世纪英国通过建造一条不到400 m长的过河隧道，创造了盾构法与沉井法，极大地推进了工程学的发展。同样值得一提的是，该项目延期15年、预算严重超支、建设期间发生了多次水淹与火灾等事故，且建成时未实现通行马车的初衷[4]。20世纪美国建造了首条过河交通沉管隧道[5]。21世纪，期待着首条悬浮隧道[6]建造成功。

过去的研究并未能够让悬浮隧道得以实现。分析过去的研究[7]发现3个特点：1）对研究方法本身缺少研究（如果悬浮隧道确已建成则不必提及这点）；2）大部分研究基于具体建造位置与条件，或基于解决某个数学问题或物理问题，前后两者在下文简称为“项目研究”和“学术研究”；3）数模研究数量远大于物模研究，且后者尺度偏小，缺少整体试验。

本文提出工程研究，讨论前两个特点，第3点讨论见本专辑其它文章。

1 工程研究方法

1.1 以结构为主线

以结构（发展）为主线[8]，优点是：1）将悬浮隧道从抽象变具体；2）当悬浮隧道结构发展到某个程度，具备足够的细节，可较直接的证明“有形物”的工程可实施性；3）研究工程而非具体项目，有助于超越环境的特殊性与局限性，例如能假想隧道长度、水深、水动力环境与通行需求等，进而能探索属于悬浮隧道结构自身的更一般的、更通用的规律；4）提出更多有关悬浮隧道研究的问题与需求，因为悬浮隧道结构是最直接的研究对象。而挑战是：悬浮隧道结构发展必须建立在对悬浮隧道结构的系统分析与全面认识上，施工、设计、装备与研发等单位需平行进行研究，对总体研究的工程系统思考与统筹能力的要求高。

1.2 工程不可行性研究

随着悬浮隧道结构发展，风险随之诞生，因而风险是副主线。港珠澳大桥岛隧工程实现了深插钢圆筒筑岛新工法[1，9]，该方案构想提出时，首先不是研究如何证明方案可行，而是通过3个月的时间，证明方案不可行。吴之明先生将这种方法进一步总结为“工程不可行性研究”。通过不可行性研究，辨识主要工程风险，过滤不具备可实施性的工程方案，避免出现科学研究与工程应用“双层皮”现象，另一方面，通过“否定的否定”而非直接的“肯定”而选取的结构方案，具备更高保障的研究潜在价值。

1.3 安全体验

作者提出研究悬浮隧道使用的“安全体验”。有别于概率数字的安全，是通过发展结构而带来的本质安全。

悬浮隧道依靠水的浮力而生存，应确保永不沉没。1）从悬浮隧道选型来看，带浮筒的悬浮隧道比锚固式的更不易沉没（但另一方面前者在水面上，影响景观或吸引更多波浪荷载）。因为当隧道管体内意外进水时，浮筒能通过自身吃水变化而提供浮力来补偿隧道内进水的重力，而锚索式悬浮隧道管内进水量一旦导致重力大于浮力，管体就会沉没。2）从隧道线形来看，设置单坡或倒V形纵坡（后者需注意整体稳定性问题），有助于将隧道内进水借用纵坡排入隧道外，确保漏水不在隧道内累积。3）从管体横断面结构来看，如何避免撞击时隧道结构不因破损而漏水？一是将外墙壁设计成“管中管”构造，墙壁从外面受到诸如潜水艇撞击时，墙壁的内侧仍然保持结构支撑与水密作用，外侧能进行修复；当墙壁的内侧受到诸如爆炸等冲击破坏时，墙壁的外侧能保持结构支撑与水密作用，内侧能进行修复。二是，通过新材料研究，在易受撞击部位应用高韧性（toughness）材料，确保即便受到撞击也不会发生损坏。

悬浮隧道结构应设计成具有足够的安全储备，以能够“以不变应万变”：1）隧道使用期间可能由于隧道内的垃圾与灰尘累积和隧道外的海生物增长而增重，也可能由于外轮廓扩大和路面层的磨损而减重，动态调载意味着存在人为失误和设备故障的风险，因此需要确保隧道结构自身具有足够的富余度来抵抗这些重量变化。2）波浪的多向不规则性及其认知上的概率统计特征本身就是工程风险，所以隧道管体应被置于几乎没有波浪影响的区域（一个简单判断是淹没深度等于该水域周期最长的波长的一半）。3）对于浮筒式悬浮隧道，如果所在水域潮位变化大，浮筒吃水变化带给纵向结构很大荷载的变化。通过设置水位监测与反馈系统，在浮筒和管体间设置竖向可调节装置或在浮筒内设置可调节水箱，以“用变化应对变化”，但仍存在设备与人为失误的风险，只能作为备用手段或额外安全措施储备，主要措施仍然是通过增加结构强度抵抗变化，又或发展特殊接头用变形适应变化。4）结构设计力求简单，避免出现复杂的耦合现象，如避免车隧流不利组合耦合，避免管体涡激运动（VIM）和锚索涡激振动（VIV）相互耦合等。

最后需注意“新上加新”的两面性。一方面，悬浮隧道自身是新概念，通常需要与已有的（较）成熟工法、装备、设计方法、产品与分析理论相结合，进而工程风险在可接受的范围内。另一方面，面对新问题有时必须通过新方法来解决。

1.4 四个协同

学术研究借助悬浮隧道为载体研究数学与物理等问题，并推广至其它自然科学领域。项目研究以悬浮隧道为手段实现特定工程场地的跨越与连通。工程研究是研究从工程概念到实施的过程与纽带，也即本质上是研究协同的问题。基于当前研究实践的总结，暂归纳为4个协同。1）设计与分析协同。分析结果支撑设计方案，设计演练检验分析方法的实用性，在第2节详述；2）分析理论与分析手段协同，确保分析手段偏离其理论所产生的假设而导致的结构响应预测偏差与规律真实性偏差可控；3）数学模型与物理模型协同。通过数学模型预测结构响应和行为来指导物理模型的设计与研究，通过物理模型验证数学模型的真实性并为设计提供参数与依据；4）物理模型与原型在尺度问题上的协同。尺度效应问题在结构设计中被关注[10]，其中水动力影响更为显著[11]。实现协同的解决方法是通过应用已建设的超大水槽，设计超大比尺（例如1∶2～1∶5）悬浮隧道节段真实刚度试验，来获得接近真实横断面过水特性的设计参数，包括不同流速下的附加水质量系数、水阻尼、Sr数（涡脱落频率）、涡激运动锁定区间、水阻力系数、升力系数，并进一步研究悬浮隧道横断面表面粗糙度变化、形状变化、质量变化和节段真实刚度改变等对设计横断面节段过水特性的影响。

1.5 方案竞争力与吸引力研究

包括但不限于：1）快速施工方法与装备研发；2）运营便利性；3）商业可行性；4）不可替代性，也即跨越当前工程技术所无法跨越的水域；明石海峡大桥主跨近2 000 m为当前最大跨越；5）影响投资的关键结构问题：①锚索式悬浮隧道最小浮重比（或净浮力）研究，因浮重比的增加将增加深水基础施工与维护造价，后者占工程总投资的份额显著；②管体最小淹没水深研究，因其受船舶吃水、波浪等制约；淹没水深设置越深，岸上接岸段施工长度越长，车辆爬坡距离越长；③结构阻尼与水阻尼对结构运动消能影响研究，阻尼减小结构运动幅值，对阻尼的准确评价意味着可优化悬浮隧道结构体系刚度，减少不必要的结构措施。

2 结构与设计方法

中交悬浮隧道工程技术联合研究组将工程研究分为11个专题，由7家联合体成员独立或配合完成[12]。结构与设计方法研究工作的策略是分析与设计协同；具体而言，通过分析工作指导结构的发展，验证设计方案的适宜性，通过设计演练检验分析方法的实用性，完善分析方法。

2.1 设计准则

准则是寻找最短路线达到目标的“地图”。设计准则用于指导结构设计发展，并提供计算结果的判定依据。前者如冗余性和鲁棒性等定性要求，例如管体部分区域发生水淹后，又或单根或几根缆绳断裂后，仍然可以保证悬浮隧道结构的整体性。后者如挠度与跨度的限值（挠跨比）与最大加速度等定量要求，部分可类比其它工程，如挠跨比参考长大桥梁，最大加速度参考浮桥、高楼或船舶，锚索安全系数设定参考海洋工程。部分准则需根据设计计算或敏感性分析确定，例如通过在纵向结构计算中设置强制基础变位，计算结构响应，并反向评估结构可接受的基础变位特征与限值。已有悬浮隧道设计准则描述与汇总见文献[7，13-14]。

2.2 设计流程

锚索式悬浮隧道概念设计流程，见图1。可见：1）该流程以结构发展为主线，先后发展悬浮隧道的平面线形、纵面（竖向）线形、横断面与截面构造、锚固系统、中间接头与接岸接头、局部加强横断面、缆力分配优化等。2）分析流程穿插其中，用于上述各个方案的比选与凝聚，部分分析工作如“弹振”，既在设计流程的最上游，又在设计流程的最下游，前者为打破设计之初认知问题的快速计算，后者为结构验算；3）设计流程存在迭代与反复的过程。此外需指出，设计流程类似设计准则应随着工程研究深入而持续优化，当遇到具体项目时应根据条件而相应调整。

2.3 分析工作矩阵

图1 锚索式悬浮隧道设计流程举例Fig.1 Design flowchart example of line-type submerged floating tunnel

悬浮隧道工程研究中的分析工作的需求与规划，来自悬浮隧道结构发展的内在需求。仍以锚索式悬浮隧道结构设计工作来举例。从设计角度，分析工作可大致分为设计计算（用于结构设计参数选定）、敏感性分析（用于结构鲁棒性验算或设计优化）与结构评价体系（用于多方案比选参考或依据）。从数学与物理问题角度，分析工作可大致分为结构问题、水动力问题与锚索体系问题。从这两个维度的分类，可策划出大多数分析工作的需求与目标，见表1。本论文集工作围绕表中内容展开。再将表1每个分析工作带入图1，经由几轮设计演练，逐步完善。

表1 锚索式悬浮隧道分析工作矩阵举例Table 1 Line-type submerged floating tunnel analysis work matrix sample

值得指出：

1）结构问题中的设计计算工况近25 000个，其中纵向静力设计计算工况超过20 000个，横向设计计算工况超过2 000个。

2）敏感性分析工作包括结构、水动力、锚固系统，合计近50项。

3）由于上述大量工作，分析方法需兼顾真实性与设计效率。例如，作者提出研究结构静力计算的几何非线性问题必要性的边界条件。

4）分析方法需尽可能简单、明晰和易操作，并申明所有前提、假设与局限性，确保设计风险可控。

3 研究模式

中交悬浮隧道工程技术联合研究组于2019年6月初成立结构与设计方法研究小组，后改名“研究攻关组”，进而正式提出了工程研究的“攻关模式”。该模式源自中国大工程建造经验[15]。基于任何项目资源和时间都是有限的前提，通过将有限的资源集中在合理短的一段时间，实现高资源密度环境，进而“量变”引起“质变”。

研究成果的价值可通过质量、数量、原创和维度来衡量。1）质量正如其名。2）数量决定了对工程问题研究结论的一般性、通用性和普适性，例如前文所述分析工况的数量代表工程研究认真程度，在横断面过水特性研究中，相比过去研究6个横断面与7个考察指标，研究攻关组提出了25个特征横断面与超过15个考察指标。3）原创性包括提出新的工程研究方向，基于已有分析方法，改良得到更真实的或更实用的分析方法。对于前者，作者提出例如悬浮隧道横断面设计拟定方法、悬浮隧道施工阶段结构响应及自振特征研究、悬浮隧道整体结构行为机理试验方法、悬浮隧道节段模型研究真实刚度修正问题。对于后者，作者将浮重比概念进一步划分为设计浮重比和目标浮重比，将弹振分析计算进一步划分为设计快速计算与验算。4）维度建立了科学研究成果与悬浮隧道工程应用之间的内在联系与规律。例如，尾流振子模型也许可用做开发悬浮隧道节段水槽试验结果与悬浮隧道整体结构分析之间的“数值纽带”，作者发现弹性地基梁研究中的Sato系数可描述任意直线形悬浮隧道纵向结构在笛卡尔坐标系的任意平面内施工过程长度不断变化的弯曲响应与其完工后运营期响应之比的特征。

最后，研究模式应注重研究工程的动态调整，对于机理试验和CFD计算等数据分析实现逐日分析、逐日报告，从而，借用“无心插柳”和“南辕北辙”的中国智慧，得到最大化研究的额外价值。从中交港珠澳大桥岛隧工程“悬浮隧道工程技术研究”与“结构与设计方法”[12]的规划用词就可略见一斑：1）研究工程技术有可能获得悬浮隧道问题的突破；2）研究悬浮隧道问题有可能获得工程技术的突破；3）研究悬浮隧道结构有可能获得设计方法的突破；4）研究设计方法有可能获得悬浮隧道结构的突破。

4 结语

当前我国工程实践与科研已积累了大量有助于实现悬浮隧道的理论知识与工程经验。工程实践与学术研究互为上游，基于当前工程研究初步判断，前者从后者得到了相当充足的支撑。是时候让前者“回报”后者了。通过选择适宜场所建造悬浮隧道试验工程，从小规模、弱水动力环境起步，在逐步的实践中完善工程研究方法，并向学术研究提出更多研究方向、问题与需求。