林巍 ，林鳴 ，尹海卿 ，劉曉東

（1.中交懸浮隧道結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法研究攻關(guān)組，廣東 珠海 519000；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；4.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

“我們既盼望那一天（2017年5月2日）早一點(diǎn)到來，又希望那一天永遠(yuǎn)不要到來”。這句話反映了中交港珠澳大橋島隧工程在沉管最終接頭[1-2]水下安裝合龍前的體驗(yàn)。前半句是對工程創(chuàng)新實(shí)踐結(jié)果的期待，后半句是對向未知領(lǐng)域邁進(jìn)所必須承擔(dān)工程風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。工程創(chuàng)新本質(zhì)是通過“一系列冒險(xiǎn)活動(dòng)”，使少數(shù)的人讓多數(shù)的人、現(xiàn)在的人讓未來的人“少冒險(xiǎn)”或“不冒險(xiǎn)”，從而獲得更經(jīng)濟(jì)、更安全、更先進(jìn)、更可持續(xù)的解決方案[3]。

19世紀(jì)英國通過建造一條不到400 m長的過河隧道，創(chuàng)造了盾構(gòu)法與沉井法，極大地推進(jìn)了工程學(xué)的發(fā)展。同樣值得一提的是，該項(xiàng)目延期15年、預(yù)算嚴(yán)重超支、建設(shè)期間發(fā)生了多次水淹與火災(zāi)等事故，且建成時(shí)未實(shí)現(xiàn)通行馬車的初衷[4]。20世紀(jì)美國建造了首條過河交通沉管隧道[5]。21世紀(jì)，期待著首條懸浮隧道[6]建造成功。

過去的研究并未能夠讓懸浮隧道得以實(shí)現(xiàn)。分析過去的研究[7]發(fā)現(xiàn)3個(gè)特點(diǎn)：1）對研究方法本身缺少研究（如果懸浮隧道確已建成則不必提及這點(diǎn)）；2）大部分研究基于具體建造位置與條件，或基于解決某個(gè)數(shù)學(xué)問題或物理問題，前后兩者在下文簡稱為“項(xiàng)目研究”和“學(xué)術(shù)研究”；3）數(shù)模研究數(shù)量遠(yuǎn)大于物模研究，且后者尺度偏小，缺少整體試驗(yàn)。

本文提出工程研究，討論前兩個(gè)特點(diǎn)，第3點(diǎn)討論見本專輯其它文章。

1 工程研究方法

1.1 以結(jié)構(gòu)為主線

以結(jié)構(gòu)（發(fā)展）為主線[8]，優(yōu)點(diǎn)是：1）將懸浮隧道從抽象變具體；2）當(dāng)懸浮隧道結(jié)構(gòu)發(fā)展到某個(gè)程度，具備足夠的細(xì)節(jié)，可較直接的證明“有形物”的工程可實(shí)施性；3）研究工程而非具體項(xiàng)目，有助于超越環(huán)境的特殊性與局限性，例如能假想隧道長度、水深、水動(dòng)力環(huán)境與通行需求等，進(jìn)而能探索屬于懸浮隧道結(jié)構(gòu)自身的更一般的、更通用的規(guī)律；4）提出更多有關(guān)懸浮隧道研究的問題與需求，因?yàn)閼腋∷淼澜Y(jié)構(gòu)是最直接的研究對象。而挑戰(zhàn)是：懸浮隧道結(jié)構(gòu)發(fā)展必須建立在對懸浮隧道結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析與全面認(rèn)識(shí)上，施工、設(shè)計(jì)、裝備與研發(fā)等單位需平行進(jìn)行研究，對總體研究的工程系統(tǒng)思考與統(tǒng)籌能力的要求高。

1.2 工程不可行性研究

隨著懸浮隧道結(jié)構(gòu)發(fā)展，風(fēng)險(xiǎn)隨之誕生，因而風(fēng)險(xiǎn)是副主線。港珠澳大橋島隧工程實(shí)現(xiàn)了深插鋼圓筒筑島新工法[1，9]，該方案構(gòu)想提出時(shí)，首先不是研究如何證明方案可行，而是通過3個(gè)月的時(shí)間，證明方案不可行。吳之明先生將這種方法進(jìn)一步總結(jié)為“工程不可行性研究”。通過不可行性研究，辨識(shí)主要工程風(fēng)險(xiǎn)，過濾不具備可實(shí)施性的工程方案，避免出現(xiàn)科學(xué)研究與工程應(yīng)用“雙層皮”現(xiàn)象，另一方面，通過“否定的否定”而非直接的“肯定”而選取的結(jié)構(gòu)方案，具備更高保障的研究潛在價(jià)值。

1.3 安全體驗(yàn)

作者提出研究懸浮隧道使用的“安全體驗(yàn)”。有別于概率數(shù)字的安全，是通過發(fā)展結(jié)構(gòu)而帶來的本質(zhì)安全。

懸浮隧道依靠水的浮力而生存，應(yīng)確保永不沉沒。1）從懸浮隧道選型來看，帶浮筒的懸浮隧道比錨固式的更不易沉沒（但另一方面前者在水面上，影響景觀或吸引更多波浪荷載）。因?yàn)楫?dāng)隧道管體內(nèi)意外進(jìn)水時(shí)，浮筒能通過自身吃水變化而提供浮力來補(bǔ)償隧道內(nèi)進(jìn)水的重力，而錨索式懸浮隧道管內(nèi)進(jìn)水量一旦導(dǎo)致重力大于浮力，管體就會(huì)沉沒。2）從隧道線形來看，設(shè)置單坡或倒V形縱坡（后者需注意整體穩(wěn)定性問題），有助于將隧道內(nèi)進(jìn)水借用縱坡排入隧道外，確保漏水不在隧道內(nèi)累積。3）從管體橫斷面結(jié)構(gòu)來看，如何避免撞擊時(shí)隧道結(jié)構(gòu)不因破損而漏水？一是將外墻壁設(shè)計(jì)成“管中管”構(gòu)造，墻壁從外面受到諸如潛水艇撞擊時(shí)，墻壁的內(nèi)側(cè)仍然保持結(jié)構(gòu)支撐與水密作用，外側(cè)能進(jìn)行修復(fù)；當(dāng)墻壁的內(nèi)側(cè)受到諸如爆炸等沖擊破壞時(shí)，墻壁的外側(cè)能保持結(jié)構(gòu)支撐與水密作用，內(nèi)側(cè)能進(jìn)行修復(fù)。二是，通過新材料研究，在易受撞擊部位應(yīng)用高韌性（toughness）材料，確保即便受到撞擊也不會(huì)發(fā)生損壞。

懸浮隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成具有足夠的安全儲(chǔ)備，以能夠“以不變應(yīng)萬變”：1）隧道使用期間可能由于隧道內(nèi)的垃圾與灰塵累積和隧道外的海生物增長而增重，也可能由于外輪廓擴(kuò)大和路面層的磨損而減重，動(dòng)態(tài)調(diào)載意味著存在人為失誤和設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要確保隧道結(jié)構(gòu)自身具有足夠的富余度來抵抗這些重量變化。2）波浪的多向不規(guī)則性及其認(rèn)知上的概率統(tǒng)計(jì)特征本身就是工程風(fēng)險(xiǎn)，所以隧道管體應(yīng)被置于幾乎沒有波浪影響的區(qū)域（一個(gè)簡單判斷是淹沒深度等于該水域周期最長的波長的一半）。3）對于浮筒式懸浮隧道，如果所在水域潮位變化大，浮筒吃水變化帶給縱向結(jié)構(gòu)很大荷載的變化。通過設(shè)置水位監(jiān)測與反饋系統(tǒng)，在浮筒和管體間設(shè)置豎向可調(diào)節(jié)裝置或在浮筒內(nèi)設(shè)置可調(diào)節(jié)水箱，以“用變化應(yīng)對變化”，但仍存在設(shè)備與人為失誤的風(fēng)險(xiǎn)，只能作為備用手段或額外安全措施儲(chǔ)備，主要措施仍然是通過增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抵抗變化，又或發(fā)展特殊接頭用變形適應(yīng)變化。4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求簡單，避免出現(xiàn)復(fù)雜的耦合現(xiàn)象，如避免車隧流不利組合耦合，避免管體渦激運(yùn)動(dòng)（VIM）和錨索渦激振動(dòng)（VIV）相互耦合等。

最后需注意“新上加新”的兩面性。一方面，懸浮隧道自身是新概念，通常需要與已有的（較）成熟工法、裝備、設(shè)計(jì)方法、產(chǎn)品與分析理論相結(jié)合，進(jìn)而工程風(fēng)險(xiǎn)在可接受的范圍內(nèi)。另一方面，面對新問題有時(shí)必須通過新方法來解決。

1.4 四個(gè)協(xié)同

學(xué)術(shù)研究借助懸浮隧道為載體研究數(shù)學(xué)與物理等問題，并推廣至其它自然科學(xué)領(lǐng)域。項(xiàng)目研究以懸浮隧道為手段實(shí)現(xiàn)特定工程場地的跨越與連通。工程研究是研究從工程概念到實(shí)施的過程與紐帶，也即本質(zhì)上是研究協(xié)同的問題。基于當(dāng)前研究實(shí)踐的總結(jié)，暫歸納為4個(gè)協(xié)同。1）設(shè)計(jì)與分析協(xié)同。分析結(jié)果支撐設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)演練檢驗(yàn)分析方法的實(shí)用性，在第2節(jié)詳述；2）分析理論與分析手段協(xié)同，確保分析手段偏離其理論所產(chǎn)生的假設(shè)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測偏差與規(guī)律真實(shí)性偏差可控；3）數(shù)學(xué)模型與物理模型協(xié)同。通過數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)和行為來指導(dǎo)物理模型的設(shè)計(jì)與研究，通過物理模型驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的真實(shí)性并為設(shè)計(jì)提供參數(shù)與依據(jù)；4）物理模型與原型在尺度問題上的協(xié)同。尺度效應(yīng)問題在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被關(guān)注[10]，其中水動(dòng)力影響更為顯著[11]。實(shí)現(xiàn)協(xié)同的解決方法是通過應(yīng)用已建設(shè)的超大水槽，設(shè)計(jì)超大比尺（例如1∶2～1∶5）懸浮隧道節(jié)段真實(shí)剛度試驗(yàn)，來獲得接近真實(shí)橫斷面過水特性的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括不同流速下的附加水質(zhì)量系數(shù)、水阻尼、Sr數(shù)（渦脫落頻率）、渦激運(yùn)動(dòng)鎖定區(qū)間、水阻力系數(shù)、升力系數(shù)，并進(jìn)一步研究懸浮隧道橫斷面表面粗糙度變化、形狀變化、質(zhì)量變化和節(jié)段真實(shí)剛度改變等對設(shè)計(jì)橫斷面節(jié)段過水特性的影響。

1.5 方案競爭力與吸引力研究

包括但不限于：1）快速施工方法與裝備研發(fā)；2）運(yùn)營便利性；3）商業(yè)可行性；4）不可替代性，也即跨越當(dāng)前工程技術(shù)所無法跨越的水域；明石海峽大橋主跨近2 000 m為當(dāng)前最大跨越；5）影響投資的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)問題：①錨索式懸浮隧道最小浮重比（或凈浮力）研究，因浮重比的增加將增加深水基礎(chǔ)施工與維護(hù)造價(jià)，后者占工程總投資的份額顯著；②管體最小淹沒水深研究，因其受船舶吃水、波浪等制約；淹沒水深設(shè)置越深，岸上接岸段施工長度越長，車輛爬坡距離越長；③結(jié)構(gòu)阻尼與水阻尼對結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)消能影響研究，阻尼減小結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)幅值，對阻尼的準(zhǔn)確評價(jià)意味著可優(yōu)化懸浮隧道結(jié)構(gòu)體系剛度，減少不必要的結(jié)構(gòu)措施。

2 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法

中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組將工程研究分為11個(gè)專題，由7家聯(lián)合體成員獨(dú)立或配合完成[12]。結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法研究工作的策略是分析與設(shè)計(jì)協(xié)同；具體而言，通過分析工作指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的適宜性，通過設(shè)計(jì)演練檢驗(yàn)分析方法的實(shí)用性，完善分析方法。

2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

準(zhǔn)則是尋找最短路線達(dá)到目標(biāo)的“地圖”。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展，并提供計(jì)算結(jié)果的判定依據(jù)。前者如冗余性和魯棒性等定性要求，例如管體部分區(qū)域發(fā)生水淹后，又或單根或幾根纜繩斷裂后，仍然可以保證懸浮隧道結(jié)構(gòu)的整體性。后者如撓度與跨度的限值（撓跨比）與最大加速度等定量要求，部分可類比其它工程，如撓跨比參考長大橋梁，最大加速度參考浮橋、高樓或船舶，錨索安全系數(shù)設(shè)定參考海洋工程。部分準(zhǔn)則需根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算或敏感性分析確定，例如通過在縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算中設(shè)置強(qiáng)制基礎(chǔ)變位，計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并反向評估結(jié)構(gòu)可接受的基礎(chǔ)變位特征與限值。已有懸浮隧道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則描述與匯總見文獻(xiàn)[7，13-14]。

2.2 設(shè)計(jì)流程

錨索式懸浮隧道概念設(shè)計(jì)流程，見圖1。可見：1）該流程以結(jié)構(gòu)發(fā)展為主線，先后發(fā)展懸浮隧道的平面線形、縱面（豎向）線形、橫斷面與截面構(gòu)造、錨固系統(tǒng)、中間接頭與接岸接頭、局部加強(qiáng)橫斷面、纜力分配優(yōu)化等。2）分析流程穿插其中，用于上述各個(gè)方案的比選與凝聚，部分分析工作如“彈振”，既在設(shè)計(jì)流程的最上游，又在設(shè)計(jì)流程的最下游，前者為打破設(shè)計(jì)之初認(rèn)知問題的快速計(jì)算，后者為結(jié)構(gòu)驗(yàn)算；3）設(shè)計(jì)流程存在迭代與反復(fù)的過程。此外需指出，設(shè)計(jì)流程類似設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)隨著工程研究深入而持續(xù)優(yōu)化，當(dāng)遇到具體項(xiàng)目時(shí)應(yīng)根據(jù)條件而相應(yīng)調(diào)整。

2.3 分析工作矩陣

圖1 錨索式懸浮隧道設(shè)計(jì)流程舉例Fig.1 Design flowchart example of line-type submerged floating tunnel

懸浮隧道工程研究中的分析工作的需求與規(guī)劃，來自懸浮隧道結(jié)構(gòu)發(fā)展的內(nèi)在需求。仍以錨索式懸浮隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作來舉例。從設(shè)計(jì)角度，分析工作可大致分為設(shè)計(jì)計(jì)算（用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選定）、敏感性分析（用于結(jié)構(gòu)魯棒性驗(yàn)算或設(shè)計(jì)優(yōu)化）與結(jié)構(gòu)評價(jià)體系（用于多方案比選參考或依據(jù)）。從數(shù)學(xué)與物理問題角度，分析工作可大致分為結(jié)構(gòu)問題、水動(dòng)力問題與錨索體系問題。從這兩個(gè)維度的分類，可策劃出大多數(shù)分析工作的需求與目標(biāo)，見表1。本論文集工作圍繞表中內(nèi)容展開。再將表1每個(gè)分析工作帶入圖1，經(jīng)由幾輪設(shè)計(jì)演練，逐步完善。

表1 錨索式懸浮隧道分析工作矩陣舉例Table 1 Line-type submerged floating tunnel analysis work matrix sample

值得指出：

1）結(jié)構(gòu)問題中的設(shè)計(jì)計(jì)算工況近25 000個(gè)，其中縱向靜力設(shè)計(jì)計(jì)算工況超過20 000個(gè)，橫向設(shè)計(jì)計(jì)算工況超過2 000個(gè)。

2）敏感性分析工作包括結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力、錨固系統(tǒng)，合計(jì)近50項(xiàng)。

3）由于上述大量工作，分析方法需兼顧真實(shí)性與設(shè)計(jì)效率。例如，作者提出研究結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算的幾何非線性問題必要性的邊界條件。

4）分析方法需盡可能簡單、明晰和易操作，并申明所有前提、假設(shè)與局限性，確保設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)可控。

3 研究模式

中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組于2019年6月初成立結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法研究小組，后改名“研究攻關(guān)組”，進(jìn)而正式提出了工程研究的“攻關(guān)模式”。該模式源自中國大工程建造經(jīng)驗(yàn)[15]?；谌魏雾?xiàng)目資源和時(shí)間都是有限的前提，通過將有限的資源集中在合理短的一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高資源密度環(huán)境，進(jìn)而“量變”引起“質(zhì)變”。

研究成果的價(jià)值可通過質(zhì)量、數(shù)量、原創(chuàng)和維度來衡量。1）質(zhì)量正如其名。2）數(shù)量決定了對工程問題研究結(jié)論的一般性、通用性和普適性，例如前文所述分析工況的數(shù)量代表工程研究認(rèn)真程度，在橫斷面過水特性研究中，相比過去研究6個(gè)橫斷面與7個(gè)考察指標(biāo)，研究攻關(guān)組提出了25個(gè)特征橫斷面與超過15個(gè)考察指標(biāo)。3）原創(chuàng)性包括提出新的工程研究方向，基于已有分析方法，改良得到更真實(shí)的或更實(shí)用的分析方法。對于前者，作者提出例如懸浮隧道橫斷面設(shè)計(jì)擬定方法、懸浮隧道施工階段結(jié)構(gòu)響應(yīng)及自振特征研究、懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)行為機(jī)理試驗(yàn)方法、懸浮隧道節(jié)段模型研究真實(shí)剛度修正問題。對于后者，作者將浮重比概念進(jìn)一步劃分為設(shè)計(jì)浮重比和目標(biāo)浮重比，將彈振分析計(jì)算進(jìn)一步劃分為設(shè)計(jì)快速計(jì)算與驗(yàn)算。4）維度建立了科學(xué)研究成果與懸浮隧道工程應(yīng)用之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律。例如，尾流振子模型也許可用做開發(fā)懸浮隧道節(jié)段水槽試驗(yàn)結(jié)果與懸浮隧道整體結(jié)構(gòu)分析之間的“數(shù)值紐帶”，作者發(fā)現(xiàn)彈性地基梁研究中的Sato系數(shù)可描述任意直線形懸浮隧道縱向結(jié)構(gòu)在笛卡爾坐標(biāo)系的任意平面內(nèi)施工過程長度不斷變化的彎曲響應(yīng)與其完工后運(yùn)營期響應(yīng)之比的特征。

最后，研究模式應(yīng)注重研究工程的動(dòng)態(tài)調(diào)整，對于機(jī)理試驗(yàn)和CFD計(jì)算等數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)逐日分析、逐日報(bào)告，從而，借用“無心插柳”和“南轅北轍”的中國智慧，得到最大化研究的額外價(jià)值。從中交港珠澳大橋島隧工程“懸浮隧道工程技術(shù)研究”與“結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法”[12]的規(guī)劃用詞就可略見一斑：1）研究工程技術(shù)有可能獲得懸浮隧道問題的突破；2）研究懸浮隧道問題有可能獲得工程技術(shù)的突破；3）研究懸浮隧道結(jié)構(gòu)有可能獲得設(shè)計(jì)方法的突破；4）研究設(shè)計(jì)方法有可能獲得懸浮隧道結(jié)構(gòu)的突破。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國工程實(shí)踐與科研已積累了大量有助于實(shí)現(xiàn)懸浮隧道的理論知識(shí)與工程經(jīng)驗(yàn)。工程實(shí)踐與學(xué)術(shù)研究互為上游，基于當(dāng)前工程研究初步判斷，前者從后者得到了相當(dāng)充足的支撐。是時(shí)候讓前者“回報(bào)”后者了。通過選擇適宜場所建造懸浮隧道試驗(yàn)工程，從小規(guī)模、弱水動(dòng)力環(huán)境起步，在逐步的實(shí)踐中完善工程研究方法，并向?qū)W術(shù)研究提出更多研究方向、問題與需求。