懸浮隧道臨時壓載及管路系統方案研究

劉凌鋒，林巍，鄒威，劉亞平，尹海卿

（1.中交懸浮隧道工程技術聯合研究組，廣東珠海 519015；2.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088；3.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；4.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

拉錨式懸浮隧道浮運、沉放施工期間臨時壓載具有以下幾個特點：1）比沉管需要更大的壓載量，因為懸浮隧道浮重比（BWR）遠大于沉管隧道（施工階段的沉管BWR只有1.01~1.03，而懸浮隧道已有概念方案BWR高達1.2~1.4，甚至5），凈浮力大；2）大壓載量導致壓載時間長，如所有壓載量均在沉放階段（二次壓載），則壓載施工占用海域時間長；3）如采用分段預制整體安裝懸浮隧道工法，其對延米壓載量變化敏感，應注意控制二次壓載量，并據此設計管段沉放用浮吊數量及其布置；4）針對分段預制整體安裝懸浮隧道工法，如采用壓載水方案，則其對應的管路系統長，水頭損失大。

沉管沉放較常采用管內壓載水系統并已實現自動監控與加卸載[1-3]。對于懸浮隧道，挪威松恩（Sognefjorden）峽灣浮筒懸浮隧道（又稱“懸浮管橋”）技術可行性研究報告[4]指出，懸浮隧道管內永久壓載可采用固體和液體（壓載水）相結合的方式，固體壓載為不可預見的重量變化提供容錯性，壓載水則可兼顧臨時施工階段管體偏心距的調節，但未提及施工臨時壓載方式及管路系統布置。挪威伯約那（Bj覬rnafjord）峽灣懸浮隧道技術報告[5]提出了若干懸浮隧道臨時壓載及管路系統方案，與沉管壓載系統相似，并未考慮固體壓載。

本文依托中交懸浮隧道工程技術聯合研究組懸浮隧道實驗工程研究[6]，提出4種針對不同環境和工法的懸浮隧道臨時壓載及管路系統方案并進行了比較，并對相關設計過程中的關鍵計算進行了梳理，旨在為后續懸浮隧道實際工程項目的實施提供參考和借鑒。

1 原則及風險

1.1 臨時壓載布設原則

懸浮隧道臨時壓載布設應注意：1）壓載效率，管內>管外；2）橫向布置應考慮為臨時管路系統及施工期可能需要的人行或車行空間預留位置，縱向布置應匹配管內預制構件模數；3）與固體壓載（如砂、石、預制混凝土塊）相比，水壓載具有價格便宜、方便調節等特點；4）壓載重心原則上應與管節浮心共垂線，避免管體產生額外扭矩。此外，為避免壓載水縱向自由流動或晃蕩，通過合理設置壓載水箱長度或增設橫隔板等方式預防。

1.2 臨時管路系統布設原則

臨時管路系統布設考慮以下幾點：1）在滿足功能需求的前提下，管路系統構件宜少，體系宜簡單；2）管路系統中價格昂貴的構件如電驅動閥門，其使用數量應盡量優化；3）結構設計、管路系統布設及構件選型時，應本著安全性原則，如盡量采用電驅動閥門，以避免管段沉放施工期間需人員進入隧道內部；4）空間布設原則。管路系統布設應與臨時壓載塊及橫隔板布設、預制蓋板模數等相匹配；5）可靠性及便利性原則。如應使用可靠的電驅動閥門，最大可能減小故障率；使用穩定并輕便的水泵，并注意隧道內各類電器的防潮和管路進水口的堵塞等問題。

1.3 風險減緩原則

懸浮隧道管體浮運、沉放施工主要風險及預防措施：

1）斷面扭轉。如懸浮隧道管段結構橫向不對稱（對于單孔隧道，由于排水溝、檢修道僅設一邊，較易產生橫向不對稱情況）而產生微小扭矩，應注意采取臨時平衡扭矩措施，如小配重塊平衡扭矩法、橫向移動一次壓載塊平衡扭矩法、調載倉壓載水平衡扭矩法及浮吊纜繩平衡扭矩法等。

2）“算不準”問題。懸浮隧道管段預制完成后，由于模板變形、施工誤差、水密度變化、混凝土吸水等，設計計算干舷與實際干舷有偏差[7]，這是不可避免的“算不準”問題。對此，需采取措施以實現管段浮運、沉放全過程干舷可控，如一次壓載適當儲備些壓載水、二次壓載量不宜過小。實際施工過程中，可通過塢內試驗解決“算不準”問題。

3）滲漏水風險。當采用分段預制整體安裝懸浮隧道工法，懸浮隧道管段預制、接長的過程中，可能出現隧道管體遭遇撞擊、端封門失效及接頭漏水等風險，可采取諸如雙道端封門等應對措施。

2 臨時壓載及管路系統方案構想與比較研究

懸浮隧道實驗工程[6]采用分段預制整體安裝懸浮隧道、管體整體安裝方案，且在預制和下沉階段分步加載，總體施工工藝見圖1。

圖1 懸浮隧道預制、浮運及臨時壓載沉放工藝流程Fig.1 SFT prefabrication,floating and temporarily ballasting,sinking and docking process flow

初擬了8個臨時壓載方案，分別是：預制混凝土水箱方案、裝配式鋼結構水箱方案、裝配式鋼結構水箱+外部水倉方案、外部水倉方案、混凝土塊方案、蓄水池方案、混凝土塊+蓄水池方案、混凝土塊+調載倉方案；初擬了4個臨時管路系統方案，分別是：同主分支穿倉式管路系統方案、同主同支穿倉式管路系統方案、分主分支穿倉式管路系統方案、同主同支掛壁式管路系統方案。限于篇幅，重點介紹經過多輪討論推演比選后進入“短名單”的4個臨時壓載及管路系統組合方案。

2.1 自帶重力預制混凝土水箱方案

基于沉管隧道裝配式鋼結構壓載水箱，提出自帶較大重力的混凝土水箱方案，好處是：1）混凝土可在現場批量預制；2）整體運輸，免去管內拼裝作業；3）混凝土水箱自重大，減少所需壓載水量，可優化臨時壓載管路體系。

自帶重力預制混凝土水箱臨時壓載及管路系統方案如圖2所示，采用同主同支自然進水臨時管路系統，即進水管和排水管采用相同的主管和支管。為避免進、排水時水泵失效帶來的風險，必要時可使用雙水泵方案（一個主泵，一個備用）。

圖2 自帶重力預制混凝土水箱臨時壓載及管路系統方案Fig.2 Temporary ballast and pipeline system scheme of self-contained gravity precast concrete water tank

2.2 混凝土塊+調載水方案

管段浮運、轉體前的一次壓載采用預制混凝土塊固體壓載，管段下沉所需的二次壓載水注入行車蓋板以下的壓載倉（圖3）。此方案優點為：混凝土塊預制模板簡單；壓載水重心較低，有利于穩定。

圖3 混凝土塊+壓載水方案Fig.3 Scheme of concrete block+ballast water

為防止水晃蕩縱向流動，壓載倉內沿縱向每隔一定距離設置1道橫隔板，該距離應與管段及管內構件預制模數相匹配。臨時管路系統的支管路通過掀開行車蓋板或在行車蓋板穿孔下穿進入壓載倉。

混凝土塊在管外預制，由臺車運輸至管內，再通過小型龍門吊（圖4（a））或臺車上的升降千斤頂配合臨時鋪設枕木（圖4（b））卸載。

圖4 混凝土塊運輸工藝Fig.4 Transportation technology of concrete block

2.3 混凝土塊+外部碎石袋壓載方案

當二次壓載所需壓載量較小時，可考慮管外壓載，如采用外掛碎石袋壓載。如圖5所示，一次壓載仍采用預制混凝土塊固體壓載，懸浮隧道管段浮運、轉體后，利用水上掛袋船+潛水員潛水作業的方式在隧道外部預埋掛釘上對稱、均勻地外掛碎石袋進行二次壓載。本方案優點為取消了隧道內部臨時壓載水管路系統，管內占用空間少。

圖5 混凝土塊+外部碎石袋壓載方案Fig.5 Scheme of concrete block+external gavel bag ballast

2.4 無端封門沉放安裝方案

當懸浮隧道斷面較小且建設在風浪環境復雜的外海海域，需要設計較大的浮重比。如采用傳統的臨時壓載方案，則需較多的延米壓載量，經濟性無法保證。對于小斷面、大浮重比懸浮隧道，管段預制完成并浮運至預定安裝位置后，可現場拆除端封門，管段因負浮力而下沉，并依靠浮吊吊力保持平衡（圖6），管內外均無需設置額外的壓載系統。采用本方案時，隧道內預制構件（包括路面板和預制水溝等）宜在隧道貫通后進行拼裝。

圖6 拆除端封門沉放安裝方案Fig.6 Immersion and installation scheme of bulkheads removal

2.5 方案比選研究

上述4種推薦方案優缺點對比見表1，其中，工程量的計算原則是：一次壓載量5 t/m，二次壓載量前3個方案均為0.3 t/m，最后1個方案為18.1 t/m。

表1 推薦方案比選表Table 1 Comparison table of recommended schemes

不同浮重比、不同工法的懸浮隧道，適用不同的臨時壓載及管路系統方案：1）外海小斷面、大浮重比懸浮隧道適用無端封門沉放安裝方案，內陸湖小浮重比懸浮隧道適用壓載方案；2）分節預制浮運、水下分節對接懸浮隧道可用沉管類似壓載方案，分段預制整體安裝懸浮隧道傾向于用固體壓載；3）管內空間緊湊、二次壓載量較少時可用管外壓載。

3 相關計算

懸浮隧道臨時壓載及管路系統設計可能涉及的相關計算包括但不限于：1）干舷計算、抗傾覆穩定性計算；2）結構斷面固存偏心扭矩影響分析；3）壓載塊縱向布設及其斷面面積計算；4）鋼結構壓載水箱（如采用）構件強度及變形計算；5）混凝土水箱側壁穩定性計算；6）浮吊數量及布設、最大二次壓載量計算；7）臨時管路系統功效和選型計算。

上述7項相關設計計算中，鑒于1~5項計算較常規，下面僅討論第6、7項。

3.1 浮吊數量及布設、最大二次壓載量計算

對于分段預制整體安裝懸浮隧道，管段浮運就位后，在水上浮吊的控制下進行二次壓載下沉，二次壓載一般采用管內壓載水，可視為沿隧道縱向均勻布置。下沉階段應重點關注浮吊數量及布設、最大二次壓載量。

實驗工程中整體式安裝懸浮隧道總長1 800 m，二次壓載等效于豎向均布荷載，浮吊纜繩連接位置等效于豎向支座。下沉階段，管體兩端尚無約束，但為計算收斂，約束一端軸向。

分別采用3艘、4艘安裝浮吊2種方案，浮吊布設見圖7。計算表明，采用3艘浮吊，最大二次壓載量約為0.1 t/m；采用4艘浮吊時，最大二次壓載量約為0.3 t/m。均為撓度控制，管體內力遠小于其承載力。

圖7 浮吊布設示意圖Fig.7 Floating cranes layout

可見，采用3艘浮吊時，可允許的最大二次壓載量較小，容易出現過載；采用4艘安裝浮吊時，隧道管體可承受的二次壓載量約為3艘安裝浮吊時的3倍，施工容錯性較大，但浮吊數量的增多在施工設備投入上有所增加。

3.2 臨時管路系統功效和選型計算

3.2.1 計算方法

根據2.1節推薦方案（即自帶重力預制混凝土水箱方案）進行管路系統功效和設備選型分析，假定通過水泵主動控制進水，并以此確定主管、支管直徑，以及水泵所需揚程（水頭）。

如圖8所示，假設僅在隧道一端設置水泵，總共n個混凝土水箱，沿隧道軸向按間距l均勻布置，理想狀態下每個水箱支管的設計流量均為q，第i個支管前主管流量Qi，水頭Hi，管線沿程水平，無高差。

圖8 簡化的臨時壓載水系統管路Fig.8 Simplified temporary ballast water system pipeline

根據以上方案布置，由連續性方程可知：

根據能量守恒，建立第i-1段到第i段主管末端的伯努利方程。第i-1個支管處局部水頭損失為，第i段主管沿程水頭損失為，則有：

式中：A為水管截面積；a為修正系數，取1.0；C為謝才系數，；D為主管直徑；ξ1為主管分支處局部損失系數，暫取0.1（以沿程水頭損失為主）。

聯立方程（1）、（2）和管路系統方案，則可驗算選擇的管徑和水泵揚程是否合理。

3.2.2 管徑和水泵揚程

假設采用3艘浮吊，二次壓載量為0.1 t/m，每條管路有n=90個混凝土水箱，每個水箱長度20 m。管路各水箱的壓載水量為V=0.1伊20=2 m3。

如各水箱2 h內完成進水，則單個支管流量：

總流量：

將q和Q1帶入方程（1）、（2）中，得到建議選擇的水泵及主支管參數（總水頭包括了水泵揚程和淹沒水深）見表2。

表2 建議的懸浮隧道臨時管路系統設施設備選型參數Table 2 Recommended selection parameters of facilities and equipment for SFT temporary pipeline system

由表2可知，若淹沒水深為30 m，當采用100 mm主管直徑時，水泵揚程僅需15 m；當采用150 mm主管直徑時，自然進水即可滿足要求。

總進水時間越短或管徑越小，入口流速越大，水頭損失越大，需要的水泵揚程越大，對管壁的壓力越大。

考慮到進水的平衡，可以采用兩端同時進水方案，即在推薦方案基礎上，在另一端也安裝水泵，隧道沉放時兩端同時進水。即計算中取N=45個水箱，每個水箱長度20 m。

此外，經計算發現，管內二次壓載時，管內壓縮空氣對支管出口水頭的影響較小，且在選擇水泵時可考慮一定富余揚程，因此空氣壓縮對計算結果影響可忽略。

4 結語

拆除端封門讓水浸沒隧道內部的壓載方案，臨時設施少、加水速度最快，較適用于外海小斷面大浮重比懸浮隧道；比較而言，其它壓載方案較適用于內陸湖小浮重比懸浮隧道：沉管類似壓載方案較適用于分節預制浮運、水下分節對接懸浮隧道。分段預制整體安裝懸浮隧道傾向于用固體壓載。管內空間緊湊、二次壓載量較少時可用管外壓載。

分段預制整體安裝懸浮隧道臨時壓載下沉階段應重點關注浮吊數量及布設和最大二次壓載量，下沉過程為撓度控制，管體內力遠小于其承載力。

當采用水泵主動控制進水時，隧道內進水時間越短或管徑越小，入口流速越大，則水頭損失越大，需要的水泵揚程越大，對管壁的壓力越大。可采用兩端進水的方案減小管徑。壓載過程中管內空氣壓縮對臨時管路系統計算影響較小，可忽略不計，因此不必額外設置排氣孔。