懸浮隧道施工過程結構特征參數與設計關鍵參數研究

魏佳奇 ，林巍 ，楊自豪 ，張潔瓊 ，鄒威

（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.西北工業大學數學與統計學院，陜西 西安 710072；3.大連理工大學，遼寧 大連 116024；4.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

懸浮隧道施工時的特點通常是其管體一端被約束，一端無約束，后者也可稱為“自由”。管體總長度隨施工進度而加長。懸浮隧道安裝工藝有分段頂推法和水下連接法[1]；其最可能的安裝順序是從一端往另一端拼裝或頂推，逐漸增長。對于較短的懸浮隧道或水動力較弱的施工環境，在拖輪等設備條件允許時，也可考慮一次安裝（一次安裝本文不再贅述）。當管體有錨固系統時，錨固系統也對管體起到約束作用。懸浮隧道錨固系統的形式有浮筒或錨索或兩者組合。懸浮隧道完工后，或在更遙遠的運營時期，其管體長度不再改變，且管體兩端與岸邊連接，連接方式可以被設計成剛性的固結[2]，柔性的鉸接[3]，或介于其中的某種方式。本文僅比較前2種的“極端”形式對懸浮隧道施工時期結構體系的影響以及與完工后結構體系的比較。

本文通過設定管體與錨固系統的剛度貢獻綜合比較參數?；觀察不同?取值時，懸浮隧道每個施工步數管體長度不同狀態時第一階自振周期、自由端撓度、約束端剪力和彎矩，為觀察方便和指導設計分析，將這些值與隧道完工后同類值相除，即無量綱化，研究該值的變化規律以及與?的對應關系。

1 研究方法

設定懸浮隧道評價參數?；找出真實工程懸浮隧道結構可能參數范圍；比選、確認并建立計算模型和假定，綜合考慮大量計算工作、橫向比較目的及計算出錯風險，選擇簡單直觀的計算模型和方法；將施工期的結構特征參數結果與運營期的相除（無量綱化），選取不同?值，進行橫向比較與觀察，并研究鉸接和固結方式對懸浮隧道施工期的影響和規律。

1.1 懸浮隧道評價參數

懸浮隧道縱向結構計算參數涉及隧道（管體）長度L、橫斷面（彈性階段）抗彎參數EI、隧道延米質量m和錨固系統對隧道在水平向或豎向提供剛度的沿著隧道管體縱向每米的等效值（又稱“彈性地基梁剛度系數”）k?？梢姂腋∷淼绤到M合之多，研究工作千頭萬緒，為了把握這4個參數的內在規律，在Sato系數的基礎上[4]，進一步提出施工關鍵工況特征參數?，將?=1定義為該隧道兩端固結時受到水平或豎向均布荷載時所產生的跨中撓度，與兩端無約束時受到同樣荷載所產生的跨中撓度相等。也即：

經試算發現，只要保證?數值不變，改變懸浮隧道的公式?中的其它結構特征參數，后述第1.4節中無量綱的研究對象的值不會發生改變，有量綱的研究對象之間的相對比例以及隨著施工步驟管節長度變化曲線的特征也不會改變。

1.2 參數取值范圍

考慮工程范圍實際參數，管體和錨固系統結構參數取值假定：50≤L≤5 000；9×1012≤EI≤1.7×1015；50≤m≤5 000；0≤k≤1.3×106。其中：L為管體長度，m；m為懸浮隧道管體每延米質量，kg/m，假定附加水質量2倍效應；k為錨固系統垂直于隧道管體長度方向每延米平均剛度在水平向以及豎向的包絡范圍，N/m/m；EI為橫斷面抗彎剛度指標，N·m2；I為慣性矩；E為截面構造綜合彈性模量。

EI及m取值范圍來自圖1中3個不同尺度和特征懸浮隧道橫斷面，圖1（a）為內徑4 m、外徑5 m的圓管；圖1（b）為寬30 m、高9 m的箱形；圖1（c）為總寬52.6 m、高為12.6 m的分離式雙圓管橫斷面。

圖1 橫斷面參數取值參考圖Fig.1 Cross-sections parameter reference sketch

1.3 計算模型假設、方法比選與局限性

懸浮隧道縱向結構需考慮的因素包括自振頻率、撓度、約束端彎矩和剪力。從設計計算簡化且不易出錯的角度考慮，將懸浮隧道分為水平向和豎向2個2D平面問題。忽略錨固體系自身質量（也即忽略錨索的質量或忽略浮筒和豎向連接管的質量），進而錨固系統對懸浮隧道提供的水平或豎向剛度可進一步簡化為彈簧。利用商業軟件ANAYS建模、基于Matlab的二維結構編程，以及理論解編程3種方式進行橫向比較與比選，從計算量以及分析結果風險角度考慮，本文選擇了方便快捷的理論解作為本文的主要研究方法，其余兩者作為驗證比較手段。

假設1.2節參數均為常數，并假設錨固系統沿著管體長度方向的約束作用是連續的，可列出微分方程。結合4種不同邊界條件：兩端固結、兩端鉸接、一端固結和一端自由、一端鉸接和一端自由，可求出方程沿著隧道長度里程的撓度精確解。精確解與數值解結果比較相符。撓度方程沿著隧道長度方向求2次和3次導數就得到管體的彎矩和剪力方程。

本文的研究方法是橫向比較施工全過程與施工后（運營期）懸浮隧道的結構特征參數或響應，以及橫向比較固結和鉸接兩種約束方式對于懸浮隧道施工全過程受力和自振周期的特點與優缺點，因此理想化的、有精確解的計算模型能達到本文目的，而對于懸浮隧道結構自身響應的研究，則應發展更真實的模型計算。

1.4 研究成果策劃

為了上述橫向比較目的，研究懸浮隧道施工階段和完工后在相同均布荷載下的撓度和內力，前者對應施工懸浮隧道的管體自由端和完工懸浮隧道的跨中，后者對應施工及完工懸浮隧道約束端的剪力和彎矩。將施工時的內力或撓度分別除以完工后的內力或撓度，得到的數值如果小于1，代表施工期的懸浮隧道相對運營期同等荷載條件下偏安全，反之亦然。并研究結構體系主要自振周期。研究內容總述見表1。

表1 研究內容總述Table 1 Summary of research contents

2 結果與分析

2.1 結構響應分析

分析得到相對撓度、一階自振周期、相對自振周期、約束端剪力、相對剪力以及相對彎矩隨施工長度的改變，典型計算結果見圖2～圖8。

圖2、圖3為?=0.4時，不同接岸接頭方式下相對撓度隨施工長度的變化。可見施工過程懸浮隧道變形姿態特征始終在改變。當約束端采用固結或鉸接時，懸浮隧道在施工期的最大撓度與運營期最大撓度的比值均隨著施工長度的增大而不斷增大；當施工長度大于1 000 m時，采用固結方式時該比值趨于穩定，采用鉸接方式時該比值有下降的趨勢。

圖2 一端固結一端自由時相對撓度隨施工長度的變化Fig.2 Relative deflection varieswith construction length when one end is consolidated and oneend isfree

圖3 一端鉸接一端自由時相對撓度隨施工長度的變化Fig.3 Relative deflection changeswith construction length when one end is hinged and one end isfree

圖4 為采用不同接岸接頭方式下，一階自振周期隨施工長度的變化。盡管鉸接對懸浮隧道管體的約束弱于固結，但是由于其錨固體系支撐特征，鉸接的自振周期反而更短一些；在施工全過程中一端固結的懸浮隧道的自振頻率大約是一端鉸接時的1～3倍；一端鉸接的懸浮隧道全過程施工時自振周期隨著管體長度幾乎呈線性的增長；當?＜0.5時，一端固結的懸浮隧道完成一半管體的水下安裝后自振周期趨于穩定。相對自振周期變化見圖5。

圖5可見，無論采用鉸接還是固結的接岸接頭方式，當?小于1時，相對自振周期均隨著施工長度的增長先增大后趨于穩定；隨著?的增大，相對自振周期均隨著施工長度的增大而增大（不收斂）。

圖4 一階自振周期隨施工長度的變化Fig.4 Variation of first-order natural vibration period with construction length

圖5 不同?時相對自振周期隨施工長度的改變Fig.5 Changeof relative natural vibration period with construction length under different?conditions

圖6 為不同接岸接頭方式下，約束端剪力隨施工長度的變化。由圖6可分析出，對于懸浮隧道任意結構，當接岸接頭采用固結形式時施工時期約束端剪力大約為鉸接形式的2～4倍；接岸接頭采用固結形式時，當?＜4，隧道長度建設了一半或更短時端部剪力就不再發生改變（收斂至恒定值），反之則約束段管體剪力隨著隧道長度一直增加（不收斂）；接岸接頭采用鉸接形式，當?＜0.5，隧道長度建設了一半或更短時端部剪力就不再發生改變（收斂至恒定值），反之則約束段管體剪力隨著隧道長度一直增加（不收斂）。

圖7為當?=0.4時，不同接岸接頭方式下相對剪力隨施工長度的變化。兩種約束方式下的曲線均先增大后趨于穩定，當施工長度小于600 m時，固結比鉸接的相對彎矩大，反之則相反。

圖6 約束端剪力隨施工長度的變化Fig.6 Changeof shear force at constraint end with construction length

圖7 相對剪力隨施工長度的改變Fig.7 Relative shear force changeswith construction length

圖8 為一端固結一端自由時，不同?取值情況下約束端彎矩與施工完成時同位置彎矩的比值隨施工長度的變化?？梢杂^察到在相同的施工長度下，相對彎矩隨著?的增大而增大；不同?時，相對彎矩均隨施工長度的增長先增大后趨于穩定，且隨著?的增大，趨于穩定時的施工長度隨之增大（即拐點后移）。

圖8 相對彎矩隨管體施工長度的改變Fig.8 Relativebending moment changeswith tube length

2.2 參數?對懸浮隧道施工期結構自振與響應特征的界定與指導

懸浮隧道在施工期隨著其長度增加在均布荷載作用下的撓度變化、內力變化和自振周期的變化，相比其完工后或運營期的同等條件下的撓度、內力或自振周期的特征以及相對應的?的取值，見表2。

表2 參數?對懸浮隧道施工期結構自振與響應特征的界定Table 2 Classification of structural self-vibration and response characteristics during SFT construction to parameter?

由表 2可見：1）當?≤0.4或1時，約束端采用固結或鉸接時的懸浮隧道在施工期的最大撓度和運營期接近，前者不超過后者的1.5倍，施工期相對不控制隧道的結構設計；其它情況時則需注意驗算懸浮隧道整個施工期不同長度時的撓度，即施工期需要注意控制撓度；2）當約束端為固結時，懸浮隧道結構參數0＜?≤44時，其管體端部最大剪力不超過運營期同等均布荷載條件下的1.5倍，考慮施工期荷載條件比運營期較有利，這時施工期荷載條件可能不作為結構設計方案的控制因素；反之，當?＞44時，需要注意驗算施工期管體約束端的剪力；3）當約束端為鉸接時，任意懸浮隧道結構形式施工全過程的端部剪力均小于施工完成后剪力的1.5倍，較安全；4）當懸浮隧道施工時約束端為固結時，其管體的彎矩特點類似1）的特點，需要根據不同的?值分情況討論；5）有關懸浮隧道施工期的固有周期和其運營期的固有周期的關聯，當約束方式為固結和鉸接分別對應0＜?≤0.3和0＜?≤2.5時，結構施工時期不同長度的固有自振周期與運營期的固有自振周期相近，范圍在±20%之內，如果運營期的結構設置合理，施工期也較不易發生共振的風險；反之則需注意施工階段懸浮隧道結構的共振問題。

3 結語

本文將懸浮隧道簡化為彈性地基梁，利用理論解公式，分析了在不同工況下施工期間結構撓度、內力以及一階自振周期的變化。主要研究結論如下：

1）盡管懸浮隧道在施工期暴露在不利工況下的概率較低，經受的各種荷載（如水流）相對運營期偏小，但本文計算結果表明施工時懸浮隧道結構安全有可能成為結構設計的控制工況。

2）本文通過簡化模型方程找到基于理論解發展的一種快速判斷懸浮隧道施工過程相對安全性的計算方法。

3）施工期間，結構撓度、內力及頻率與管體剛度EI、錨固系統剛度k及約束方式關聯較大。

4）當參數?相同情況下，采用鉸接時約束端剪力以及結構一階自振周期比采用固結時小。

5）懸浮隧道設計時可通過計算?值并對應查表2，加深對懸浮隧道施工期結構力學特征的認識。