懸浮隧道管體橫斷面設計擬定方法研究

魏佳奇 ，林巍 ，劉凌鋒 ，鄒威 ，周卓煒

（1.中交懸浮隧道結構與設計方法研究攻關組，廣東 珠海 519000；2.大連理工大學，遼寧 大連 116024；3.中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

懸浮隧道橫斷面擬定設計方法尚無文獻描述。作者根據沉管干舷計算研究[1]與有關設計經驗[2]以及懸浮隧道工程技術研究[3]，結合調研，以公路隧道為例，提出懸浮隧道管體典型橫斷面結構擬定方法。

1 設計準則及約束

懸浮隧道概念設計橫斷面擬定需同時滿足：

1）空間需求。可類比沉管，但需考慮懸浮隧道的特殊性，如可調載空間及未來發(fā)展趨勢。

2）重量設計。應比沉管要求更嚴苛。滿足后文推導的公式（1）和（2）。

3）結構抗力。

將以上三者作為橫斷面的設計準則、擬定假設和繪圖約束，繪制各類趨于合理的橫斷面形式。

對于岸邊連接、（可能的）中間接頭、錨固斷面、緊急停車帶或風機壁龕部位屬于特殊橫斷面或局部構造，這些部位可基于典型橫斷面細化，且不受上面第2點制約，不在本文深入討論。

2 空間需求

2.1 現代隧道安全理念

影響橫斷面擬定的通用安全理念：1）雙向交通時中隔墻分離；2）長隧道設置人員逃生通道；3）橫向聯絡通道；4）應急停車帶或額外應急車道及懸浮隧道“永不沉沒”安全理念；5）防沖擊墻壁構造；6）防水淹構造。7）考慮未來科技發(fā)展[4]，新能源汽車引起火災與通風設計需求改變以及無人駕駛車對隧道建筑限界設計規(guī)范的改變。

2.2 建筑限界

建筑限界是隧道內表面最小必要距離，保證各種交通正常運行與安全，規(guī)定在一定寬度和高度范圍內不得有任何障礙物的空間限界。基本寬度與高度參考文獻[5-7]，文獻[7]分別給出最低要求與舒適要求建筑限界。

2.3 風機安全需求

國內公路交通因各種原因導致車輛超高現象較為普遍，鑒于射流風機質量通常超過500 kg，并多安裝在隧道拱部，一旦被超高車輛撞去，將帶來嚴重安全隱患[8]。總體而言，射流風機邊沿與隧道建筑限界頂部凈距不宜小于15 cm[8]。文獻[9]假定風機距隧道拱頂的距離為1.2倍其直徑，從數模研究發(fā)現并建議風機高度應盡量接近建筑限界。

2.4 路面層預留厚度

文獻[6]推薦隧道基層厚度宜為150～200 mm，對于面層厚度，高速公路以及一級公路宜為240～260 mm，二級公路220～240 mm，三四級公路200～220 mm。此外，面層和基層下方預留找平層，找平層厚度取決于豎曲線線形與施工偏差，港珠澳沉管約15 cm，蠡湖隧道約14～26 cm[10]。此外，預留路面橫坡增厚，路面橫坡通常1.5%～2.0%，設置超高時甚至可達5.0%。

2.5 調載空間

懸浮隧道調載空間預留是為了：1）補償管內增重，增重來自路面與內裝等；2）運營期重量變化。對后者的補償是一種主動調載（被動調載是通過結構“抗或讓”或兩者兼顧來實現）。調載預留空間取決于調載物密度，常見調載物有壓艙水與壓重混凝土[11]、碎石[12]和鐵礦石等。值得一提，除壓重混凝土只能增加荷載，其它調載物可增加亦可減少。如果調載箱設置在橫斷面以外，則橫斷面擬定時不需預留調載空間。

2.6 裝飾防火墻

文獻[13]表明板材厚度不宜超過70 mm。板材長度和寬度尺寸偏差為±3 mm。板材厚度d尺寸允許偏差：±1.0 mm（5≤d＜10）；±1.3 mm（10≤d＜20）；±1.5 mm（20≤d＜30）；±2.0 mm（d≥30）。

2.7 其它空間需求

借鑒沉管經驗，需考慮曲線形預留、預制偏差、安裝偏差與運營期錯邊與機械磨損等。施工偏差取決于工法、工藝和線形管理。文獻[14]給出歐美沉管曲線加寬、沉降預留、安裝偏差、路面磨損、混凝土表面預制偏差等參考值。

錨索式懸浮隧道內部可能設置專用錨室，但只影響錨固部位的橫斷面，例如局部擴大，不影響典型橫斷面擬定。

3 重量設計

橋梁、道路與其它既有類型隧道一旦建成與使用，通常不關注其自重變化，因為自重直接傳入基礎。沉管僅在施工時期關注重量平衡設計[15]，因為需短暫地（幾個月或幾天）借用水之力實現浮運、安放與對接，港珠澳大橋島隧工程有33節(jié)沉管，鋼筋含量不同導致總重不同，作者作為現場設計詳細計算與校核33節(jié)沉管干舷、管頂干舷調節(jié)混凝土、管內壓艙水箱容積、路面壓重混凝土最小厚度與永久抗浮安全系數等一系列重量問題[1，11，15]，給出設計指令。相比而言，懸浮隧道永久地（數十年或更長）依靠水浮力生存。因而重量計算需要更全面、更細致、全過程和更高安全度的考慮。

3.1 浮重比或凈浮力

浮重比（BWR）是浮力除重力，凈浮力（RB）是浮力減重力。下面分浮筒式和錨索式懸浮隧道分別討論。1）浮筒式懸浮隧道整體結構BWR=1（即RB=0），作者建議管體BWR也取1，進而管體不會因自身凈浮力產生縱向內力；并且，由于管體兩端已有岸邊約束，從船舶穩(wěn)心考慮令BWR＜1而降低整體結構重心的做法“得不償失”。2）拉錨式懸浮隧道管體需要確保正浮力[16]，因此BWR＞1、RB＞0；兩者設置越大，優(yōu)點是彈振越不易發(fā)生，系統(tǒng)剛度與自振頻率呈升高趨勢，缺點是對錨固系統(tǒng)與基礎設置的要求提高，方案商業(yè)競爭力降低。可見，拉錨式懸浮隧道浮重比是提高懸浮隧道方案競爭力的關鍵；水動力環(huán)境越強的地方，BWR或RB需設置得越強來避免彈振（slack and snap）發(fā)生[17]。后者在實用性和真實性改良工作的研究另見本專題它文。錨索式懸浮隧道浮重比多數不小于1.2～1.4[18-19]，最高可達5.0。

從擬定懸浮隧道橫斷面設計工作實用性而言，BWR與RB均便利；從各類橫斷面之間的比較目的而言，BWR無量綱，更適用；從判斷彈振考慮，RB較實用與便利[20]。

既有研究對BWR與RB工程應用并未進行認真考量，為了在最早概念設計階段擬定合理橫斷面，提出將它們區(qū)分為運營期目標值BWRu、RBu和橫斷面擬定設計值 BWRd、RBd，“u”和“d”分別代表隧道使用（use）與設計（design）。下文詳述兩者的關聯。

3.2 重量變化因素

懸浮隧道重量變化因子總結見表1，參數取值或假定見文獻[12]，在此不贅述。

表1 懸浮隧道重量變化因子及橫斷面設計分類Table1 Submerged floating tunnel weight variation factors and classificationsfor cross-section design

總體上分5類：①極其快速變化荷載，或稱動力荷載，快到與懸浮隧道結構自振周期在一個量級進而可能引起懸浮隧道的動力增幅響應，該部分荷載對于浮筒式懸浮隧道預計只能通過結構強度抵抗，因而不需考慮，對于錨索式懸浮隧道，是在3.1節(jié)作為動力荷載輸入條件，進而計算纜繩不發(fā)生彈振的最小（臨界）BWRu或RBu；②較快變化的荷載，或稱短時靜力荷載，快到通過調節(jié)荷載來減緩結構響應或調節(jié)隧道線形是不現實的；③緩慢變化荷載，慢到通過調載來減緩結構響應是可行的；④一次性增加荷載，例如從施工到運營期增加管內內裝和路面鋪設；⑤因不可知而“引起的”荷載，又可具體分為測量干舷之前的與之后的；⑥預壓載、可調節(jié)荷載，這類荷載可用于補償③與④對結構體系造成的重量影響；對于不可知的⑤，可通過補償一半的中庸辦法來盡可能接近預想BWRu，另一半則必須通過結構自身來承擔。

為推導橫斷面設計擬定用公式，對表1因子按上文分類，需注意部分荷載取決于工程條件，可能處于“中間地帶”或需進一步細分。

目標凈浮力RBu與橫斷面設計用凈浮力RBd的對應關系見式（1）。從該公式亦可推出BWRu與BWRd相關聯的隱式。

2.5 節(jié)所述調載重量計算見式（2）。

4 結構抗力

與沉管類似，懸浮隧道沒有土荷載，因而典型橫斷面（非錨固斷面）結構抗力要求相對較低，但相比BWR大于1沉管，懸浮隧道較小，意味著壁厚較薄。國內沉管結構壁厚案例見表2。

表2 國內沉管隧道結構壁厚參考案例Table2 Wall thicknesses casestudies on immersed tunnels

5 結語

結合中交港珠澳大橋島隧工程沉管設計經驗，初步提出懸浮隧道管體橫斷面設計擬定方法。下一步工作：1）通過實測或深入文獻研究關鍵可變荷載變化幅度，例如水生物生長，混凝土吸水等，進一步確保BWR或RB范圍可知；2）與隧道內裝供應商如風機研發(fā)單位合作來更精確地預測與確定空間需求。