浅析漂浮隧道的建造

浅析漂浮隧道的建造

0漂浮隧道的建设背景和意义在这个世界上，温室效应加速了海平面的上升，极端天气频繁，人口数量达到两三年前100%。面临的挑战有粮食、可居住的土地，以及绿色清洁能源的生产与运输。为解决上述问题，海上风电、漂浮光电等离岸新能源已大规模发展，漂浮农场和海上牧场等已有实施，漂浮城市和漂浮岛屿等人类与水共存的新生活方式已成为严肃的研究课题。悬浮隧道作为漂浮结构与其自身和大陆之间的交通和物资运输纽带，其真正意义上的实现刻不容缓。尽管以往已有大量研究，但对实验工程及实现方法（施工建造）的描述仍是空白。1介绍1.1挪威离岸岩土工程的工程经验与规范悬浮隧道概念的提出是在近两世纪前或更早尽管自1872年甚至更早就有悬浮隧道的发明专利锚缆悬浮隧道技术储备现状表明，离岸岩土工程经由深海油气而发展，已具有相当丰富的工程经验与规范指南和科技成果在全局水池物理模型试验方面，挪威大约于20世纪90年代已开展过试验。中交悬浮隧道工程技术联合研究组2018—2019年开展了1∶50、模型水深2m、管体有效长度24m的锚缆悬浮隧道物理模型水池试验1.2悬浮隧道的竞争优势文献文献文献1.3隧道工法的优势根据以上文献分析，确定实验工程选址原则：1）水深100～200m左右，若再浅沉管或盾构隧道工法更具备竞争力，若再深基础的投入过大。2）长度1～2km，与索桥相比较具有竞争力，且具备水弹性观测意义。3）由于较大波浪影响所带来的悬浮隧道结构响应的不确定性，确定实验工程（也将是世界首条锚缆悬浮隧道）在风平浪静、水位变化小、弱水动力环境的内陆湖建造。文献2施工方法和关键技术2.1实验工程的主要构成考虑实验规模，断面按单车道设置（图1(a）），外径7.7m。为确保安全，墙壁采用钢壳和钢筋混凝土的复合结构，壁厚（0.04+0.51)m。完工后，隧道一般段的延米重量约42t/m，浮力47t/m。也即具有47-42=5t/m的净浮力（RB），浮重比（BWR)47/42=1.12。悬浮隧道由悬浮的管体（主结构）、岸边的沉井以及锚泊系统构成。锚泊系统由水底的混凝土“沉船”、连接沉船和管体的竖向锚缆、锚缆上端的长度调节构造，以及锚缆下端的快速锚定与更换构造组成（图1(b））。我国某内陆湖水深最深处达170m，断面宽度较窄处约1700m，考虑两头锚固嵌入长度各20m，管体结构总长暂定为1740m。锚缆悬浮隧道运营时为正浮力，对自身的重量控制要求高，否则就会沉没，而传统桥隧工程在运营期通常不存在这方面的顾虑。通过3个措施满足：1）管体漂浮阶段通过干舷测量和调节确保重量精确控制；2）路面下方留有2m淹没水深，也即管体外缘到水面的竖向净距离，考虑以下因素：1）历史极端低水位，确保隧道不失去浮力；2）施工期和运营期水上活动不受影响；3）管体所处深度水动力作用弱；4）与两岸沉井施工的地貌和地质相匹配，尽量减少填挖方量。实验工程的主要建设步骤为：1）管体整体预制与浮态寄存。2）两岸沉井施工与对接准备。3）沉船预制、浮运、沉放与加载。以上3项工作可同步开展。全部完成后，进行管体安装。4）管体牵引、下沉，并与沉井连接。5）管体与沉船连接和重量转换。以下对主要建设步骤展开讨论。2.2管体系内的预制和系泊漂浮”布置基坑内流水线作业从左往右进行，工作流程是：1）在干坞区进行新预制段的钢壳、钢筋、内模与尾部端模的组装；2）完成后，智能台车将其向前运输，通过内侧坞门，并与前一个完成的预制段首尾连接，在干环境下形成整体，实现方法为：纵向钢筋通过机械接头连接，外钢壳通过焊接连接，以前个预制段的尾端作为端模浇筑新预制段的混凝土；3）新预制段安装尾端临时端封门；4）内侧坞门关闭，外侧坞门打开，水灌入干湿交替区，智能台车（类似深中通道沉管钢壳运输台车）配合下降，新预制段与台车脱开并得以起浮；5）整体向前绞移一个预制段的长度（通常25m），关闭外侧坞门（也即外侧坞门夹着新预制段的尾部，如图2);6）干湿交替区排水，新预制段尾端临时封门打开，内侧坞门也打开，进而允许上述第2步的平行作业；7）测量干舷高度，通过预制素混凝土块压载将漂浮段的平均干舷高度降低至0（随遇平衡状态）或10cm。预制与系泊（漂浮寄存）总体布置见图3。重复以上步骤70次，可完成1740m长的管体的整体预制和系泊（由68个25m预制段和2个20m预制段组成）。为避免管体系泊对湖面交通产生较大的影响，图3的基坑与岸边呈夹角建设。内侧坞门可采用常见的泄洪闸门。外侧坞门见图2。由门框（门槛）和上、下半幅和预制段组成。上半幅通过机械驱动实现坞门的开合与关闭。下半幅设计成自浮以适应潮涨潮落：与漂浮管体一道上下运动。上、下半幅与门框和管体及自身之间均设置临时橡胶止水带。这些止水带能适应较大的变形并确保施工期临时止水（例如港珠澳岛隧工程使用的M止水带2.3沉井施工要点挪威峡湾两岸是岩质地层。岸边接头的准备方法是通过从岸边往水中开挖、预留最后一块圆弧状石门。在管体安装前，将该石门向内爆破，破碎的石块落入预先准备的采集坑内沉井可在岸边的陆上施工亦可在水中施工，取决于地貌。沉井用于悬浮隧道岸边连接的要点是：1）井壁在对接侧预先开洞并安装临时封门。由此带来的下沉重量偏心问题通过另一侧井壁厚度修正；临时封门在水下通过潜水员配合拆除。2）管体插入前，清除插入通道上的淤泥（图4(a））；到了运营期，管体与沉井连接部位随着时间发生淤积是允许的，可带来额外安全储备（图4(b））。3）沉井封底后，必要时在沉井下方施工桩基础，确保沉井与岸边的锚固可靠。4）沉井几何尺寸根据地质条件、锚固需求、管体安装所需的平面扇形空间（见2.5节）综合确定。2.4船浮式防滑桩管体运营时净浮力5t/m，对于1740m悬浮段，每隔150m设置1处锚固断面以平衡浮力，共需设置11个。每处断面通过4根垂向锚缆连接至湖底的混凝土沉船。参考图1(b）。为了拉住管体，若按1.5倍安全系数，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个混凝土沉船依次在岸边浇筑，干重量870t，下水后干舷约1m，浮运至隧道轴线上，再由临时安装浮体吊放、下沉至水底，此时沉船浮重量（负浮力）530t，最终重量通过漂浮平台及导管往沉船内（分仓）浇筑压载混凝土来实现。为预防运营期沉船滑移或发生地基倾覆，沉船底部设置裙边沉船上连接4根锚缆分担750t净浮力，允许1根缆更换或意外破断时另外3根可自持。选用公称直径112mm、横截面面积8910mm以上工作及管体安装工作（见2.5节）完成后，测量管体锚点与沉船锚点之间的相对距离，确定每根锚缆的制造长度，并精确制造。2.5管体两端接入边的沉井预制完成的管体与3艘临时安装浮体通过竖向缆索连接（类似沉管隧道的沉放作业），管体绞移至隧道轴线附近，通过管内的压载水消除10cm的干舷并产生平均0.1t/m的微负浮力。然后通过安装浮体放缆，实现管体逐步下沉。安装阶段，为了最小化结构变形，3艘安装浮体设置在管体长度1/6、1/2、5/6的位置；带缆阶段（2.6～2.7节），为了兼顾最小化管体内力，安装浮体位置最终选在了第2、6、10艘沉船的正上方。下沉阶段的计算结果表明管体两头挠度不超过0.5m，管体中间段挠度不超过0.05m，管体内力均较小，不控制结构方案。下一步作业是管体两头插入岸边的沉井。由于管体两头有额外的嵌固段，意味着管体平面投影长度大于两岸的净距，对于如何实现水下对接的问题，文献考虑降低水下对接的难度，本文给出另一种解决方案：管体两头先后插入岸边的沉井。首先，令管体与其最终位置轴线呈15°平面夹角，一端的头部对准岸边沉井的预留孔洞（此时沉井的临时封门已拆除），这时管体在其最终位置竖面的投影长度缩短了1740×（1-cos15)=60m，所以是可行的。接着，管体向前绞移，一头插入沉井内45m，再以插入点为旋转轴，平面反方向旋转15°，此时管体另一头与岸边仍有5m净距。最后，将管体反方向绞移（后退）25m。这时管体两头均插入沉井，且插入深度均为20m。通过井壁与管体外缘接触部位设置的环向注浆止水囊袋（日本沉管V-Block施工已有先例2.6种快速连接的双网作业原理水中的管体（淹没水深20～30m）与水底11艘沉船（最深170m）通过44根竖向锚缆连接。首先连接锚缆的下端与湖底的沉船。图5为一种快速连接设想，可结合水下机器人操作实现。沉船上相应设置钢箱预埋件作为锚点。施工容差与运营期错动适应能力通过球面构造实现。该操作也可逆向执行，用于运营期更换锚缆。然后，连接锚缆的上端与管体的锚点，并进行长度调节（张紧）。通过水下液压千斤顶实现，作业原理见图6。当需要调节的长度超过千斤顶行程时，就多次重复图6(b）的步骤。2.7管体体系转换阶段由于锚缆式悬浮隧道需要较大的浮重比来确保运营期锚缆不发生松弛与弹振，悬浮隧道施工阶段的压载重量需求远大于传统的沉管隧道，采用压载水的方式不再适宜。因此实验工程提出往管内运输混凝土块，并结合路面下进水的组合压载方式（图7）。前者负责预制阶段将漂浮状态管体干舷尽可能降低，后者负责沉放阶段将管体调整成0.1t/m负浮力状态。素混凝土块通过轨道或台车在管体预制时从基坑侧运入漂浮的管内（每个预制段平均放置4个26t的混凝土块）。管体插入沉井、其端封门打开后，再将混凝土块从一端运出，并同步抽出路面下方多余的压载水。进而将管体0.1t/m负浮力从一头到另一头逐步转变为5t/m的正浮力。为控制隧道线形和受力，以上卸载工作需要与第2.6节描述的锚缆连接与张紧工作交替进行，全部完成后，3艘安装浮体可撤离，见图8。该过程可称为管体的体系转换。图9是管体安装及体系转换不同阶段的竖向挠度计算结果。采用该方法，管体竖面线形最终将趋向理想状态，缆力实现较均匀的分布。弯矩和内力结果表明全过程管体断面弯矩或剪力的最大值均不超过其结构承载力的20%。2.8地面拼接施工设施将小型钢浮箱（外轮廓尺寸诸如2.5m×3m×4m）陆运至水边，卡车卸货入水，在湖面上拼接成临时漂浮施工设施，包括：沉船用安装船（由64个钢浮箱组成）、水下导管混凝土浇筑平台（30个）、管体用安装船（3×16=48个）以及锚缆安装、水下机器人和潜水员作业等漂浮平台。前两者使用后可拆除、重新拼装可用于后续漂浮平台周转使用。2.9隧道安全体验主要工程量统计见表1。建造计划估算结合前文和沉管工程经验3“安全体验”与基本计算作为实验工程及首个锚缆悬浮隧道，确保使用者的安全体验，或称为结构的本质安全，十分必要。1）在撞击、冲击等意外发生时，钢壳和混凝土能独立承载和防水。也即，内部混凝土结构受损时，外层钢壳结构能够确保管体的整体性和不漏水，允许修复的时间。反之亦然。2）隧道竖面线形设计成单向坡，确保水不在隧道内累积，隧道永不沉没。3）允许同侧或左右一对锚缆失效。4）尽管实际不允许发生，设计计算时仍需满足结构体系能允许较大的施工容差和锚点变位。3.1初始荷载作用采用有限元程序、拟静力计算方法。模型参数。管体长度取1800m；简化为梁单元；断面抗弯刚度EI=3.96×10主要荷载工况与作用。1）施工工况：(1)管体绕其一头旋转，牵引速度0.3m/s对应转动角速度0.01（°）/s;(2)管体下沉；(3)体系转化。后两者上文已讨论。体系转化的最后一步为运营初始工况，也即5t/m向上的净浮力与向下的锚缆初张力的平衡状态。2）运营期特征水流荷载，参考文献3.2主要结果3.2.1支撑刚度与体系转换管体预制期间，经历了从短到长、从半漂浮的刚体到漂浮的细长杆的过程，管体漂浮在水面上的“支撑刚度”由其水面线面积决定，立（竖）面一阶自振周期从0逐渐增大至12.23s。下沉阶段，立面一阶自振周期53.49s，与岸边固结后，减小至25.04s，体系转换完成后进一步减小至5.23s。管体的平面一阶自振周期为145.17s。3.2.2管体结构参数按照上文所述断面和墙壁构造，考虑材料折减系数后的管体结构抗弯承载力为12.2×10为研究结构体系的“安全体验”和各项不利作用的贡献比例，将水平响应、竖向响应、扭转，以及轴向效应分开观察。1）管体平面最大响应：由均匀满布水流（带1.155荷载分项系数，简写为“×1.155”）、地震水平作用（×0.8），以及水平定位系统偏差与竖向定位系统偏差的组合（×1）组成。此时管体中部挠度超过7m，接近L/250的极限，L为管体长度。挠度最大值及构成见图11。该工况的最大剪力使用到断面能力的13%，弯矩用到30%。2）上拱的管体立面的最大响应：由初始状态（×1.1）、竖向定位系统偏差（×1）、管体头部左右一对锚缆破断（×0.8），以及地震竖向作用（×0.8）组成。此时断面最大弯矩用到其抗弯承载力的31%（图12）、剪力用到30%、挠度最大为1.8m。3）下挠的管体立面的最大响应：由初始状态（×1.1）、车辆荷载与附加重量（×1.155）、管体端部竖向定位偏差（×1），以及地震竖向作用（×0.8）组成。此时管体剪力用到35%（图13）、弯矩用到27%、挠度最大为1.7m。4）管体扭转响应较小。不利作用的主导项为管体一端或中间单侧的两根锚缆破断。5）管体与两岸沉井若在冬日通过混凝土浇筑永久锁定，当夏日升温时，如果管体端部轴向运动受限，易发生在平面上的压杆失稳（必要时在管体与一侧沉井连接部位，研发适应2～3m轴向大幅度伸缩的特殊接头）。如果施工时选择夏日锁定，冬日降温后管体会产生最大近9000t轴拉力，而管体抗拉承载力约为40000t，两者之比为23%。最后，将上述平面与立面的最大弯矩求平方根之和得到空间最大弯矩