林巍，林鳴，尹海卿，張寧川

（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.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；3.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；4.大連理工大學，遼寧 大連 116024）

1 介紹

懸浮隧道工程概念提出超過150 a，在挪威、日本和意大利等地輪番掀起研究熱潮。已有研究發(fā)展較多數學模型[1]和少量物理模型，后者大多是在試驗水槽中放置節(jié)段模型代表懸浮隧道管體的一段[1-4]。數學模型需要物理模型支撐，當前懸浮隧道工程技術研究，試驗水池整體模型試驗仍是空白，節(jié)段水槽試驗模型相對其懸浮隧道結構體系剛度設置也尚未討論。

本文介紹懸浮隧道整體結構行為機理試驗，由中交懸浮隧道工程技術聯(lián)合研究組牽頭進行，以下依次介紹試驗意義、早期構想、第一代試驗設計、實踐與反饋和第二代試驗設計等。

2 早期討論

2.1 試驗意義與原則

數學模型通過物質組成推測結構整體響應。懸浮隧道結構靜力響應由其線位、線形和體系剛度決定，體系剛度取決于隧道長度、橫斷面抗彎特性、管體錨固系統(tǒng)與管體兩端約束方式[5]。懸浮隧道結構動力響應受其結構體系質量與阻尼影響，與管體結構、錨固體系及地貌有關。挑戰(zhàn)在于沒有工程案例可驗證：立管相比懸浮隧道管體偏小、船舶偏剛、橋未（完全）浸入水中。物理模型可用于驗證數學模型，通過對定制模型人為施加外部激勵，觀察模型響應，并對其做出解釋和建立模型。已有懸浮隧道物理模型試驗傾向于代價小的、兼顧教學的2D水槽試驗，并同時推進案頭研究，通過這兩種手段將懸浮隧道問題研究得更深入。然而物模試驗挑戰(zhàn)在于尺寸效應[6]、相似問題[7]，以及普遍適用問題。

圖1 懸浮隧道整體結構水池試驗路線Fig.1 SFT overall structural basin test route

為了通過物理模型方法加深對懸浮隧道結構行為機理的認識，提出了錨索式懸浮隧道整體模型水池試驗。第一個難題是找切入點，見圖1（a）。如果不能預測懸浮隧道整體結構的響應，就無法設計合理的懸浮隧道結構，無法獲得合理的模型，進而無法通過試驗結果加深對懸浮隧道結構行為機理的理解。圖1（a）“死結”通過將試驗目的劃分為機理試驗、參數試驗和工程試驗三階段得以解開（圖1（b））。具體講，通過結構單因素變動敏感性分析研究懸浮隧道模型水池中的結構行為機理，指導完成概念設計；再通過合理設置大型水槽節(jié)段試驗，為詳細設計和分析工作提供參數支撐；在工程實施前的最后階段對詳細設計進行試驗驗證，確保沒有遺漏的危險工況。以上三階段分別指導概念設計、詳細設計和施工圖設計。本文僅討論第一階段試驗，懸浮隧道結構行為機理試驗（以下稱“機理試驗”）。

2.2 六隧同池試驗方案

根據試驗單位已有水池尺寸45 m×45 m×1 m（長×寬×深），最初錨索式懸浮隧道試驗設計成六隧同池（圖2）。最左側為基準模型，改變模型管體的浮重比，得到右側的第2、第3個模型；將基準模型的管體復制2個，平行放置，并連接，得到第4個模型；將從左往右的第2、3個模型放大1倍，也即縮尺比從1∶100改為1∶50，得到第5、6個模型。

將這6個模型同時放到試驗水池中做試驗，可預見好處有：同場性，六模型處于同一流場環(huán)境中，相比傳統(tǒng)的單模型試驗法，消除重造5次流場產生的不確定風險；資源合理利用，每次試驗可同時獲得6個懸浮隧道模型的響應，試驗方法高效；方便對響應差異的觀察，有可能快速甚至直觀地獲得6個模型響應之間的差異和規(guī)律；進度快，進而占用水池時間短；此外試驗場景更震撼。

圖2 最初試驗水池布設Fig.2 Initial test basin layout

不利有：6個懸浮隧道模型需要配備6組試驗人員，每組人員負責1個模型；需要配備更多傳感器、纜索、測量設備和數據采集電腦；每個懸浮隧道模型受到水流和波浪作用或多或少受其他5個模型影響。

綜上利弊，根據新建水池尺寸50 m×30 m×2 m（長×寬×深），決定每次試驗原則上只布設1個懸浮隧道模型（圖3）。后續(xù)試驗如需同池布置多條懸浮隧道模型，應評估模型對水流遮擋效應，對波浪消能效應，也即評估同場試驗水波減損效應。

圖3 選定試驗水池布設Fig.3 Selected test basin layout

3 第一代機理試驗設計

通過觀察懸浮隧道整體模型在水中響應，觀察模型變化或環(huán)境變化時響應變化及規(guī)律，進而指導懸浮隧道工程技術方案的設計與發(fā)展。試驗需求基于工程需求，主要內容為：原型；模型縮尺與比尺律；水動力環(huán)境；近似手段；環(huán)境工況、模型工況與試驗順序；環(huán)境測量與模型測量。

3.1 原型與模型

機理試驗需要在沒有詳細方案作為輸入條件的前提下探尋水下懸浮隧道的結構行為規(guī)律，因此需要假定原型。選擇外徑12.6 m，壁厚1 m，長1.2 km作為懸浮隧道原型，忽略內墻和路面的抗彎剛度（圖4）。原型尺寸擬定考慮如下：現(xiàn)有挪威混凝土懸浮隧道工程概念方案[8]；隧道長則水池大、蓄水量多、灌水時間久，流場生成能耗高，單次試驗成本高，可持續(xù)性降低；管體到一定長度，柔性特征已充分體現(xiàn)；現(xiàn)有水池水深2 m，減小模型垂向繞流效應；水動力試驗常見縮尺1∶40～1∶50[7]；與水槽試驗橫向比較的可能性；簡單最好。

圖4 懸浮隧道物理模型概念設計Fig.4 SFT physical model conceptual design

模型縮尺的選擇與試驗水池尺寸及原型長度有關?？s尺大，則需要更大水池；縮尺小，尺度效應影響增加，模型機理行為偏離原型，甚至導致模型試驗結果無法真實反映原型的結構行為機理。綜上，根據新建試驗水池30 m×50 m的有效平面尺寸，選定1∶50縮尺，對應原型長1.2 km隧道。如果其它條件不變，將縮尺改為1∶100，則模型的長度不變，原型變?yōu)殚L2.4 km的懸浮隧道。

3.2 模型比尺律與近似手段

上文討論物模試驗基本相似比尺律幾何相似。對于懸浮隧道試驗還需滿足重力相似、彈性相似和弗洛德數相似。該試驗較節(jié)段水槽試驗和長大橋梁試驗所需同時滿足更多比尺律，見表1。為此，一種手段是研制特殊模型材料，其密度與原型鋼筋混凝土的相等，彈性力學性能為原型的近1/7倍（也即比尺值）。

表1 各類試驗需要滿足的相似比尺律Table 1 Similarity scaling law to besatisfied in various tests

選擇了另一種手段（圖4）。用常見材料制作模型，為便于模型制作以及便于模型力學特性精度的控制，模型的子構件盡量各司其職，各模擬一個相似要求，進而復雜問題變簡單。具體講，用鋼棒芯模擬抗彎剛度（彈性相似比尺5次方）、用泡沫模擬管體體積（幾何相似比尺3次方）與浮力（弗洛德數相似比尺3次方）和迎流面面積（幾何相似比尺2次方）、用鋼棒芯結合額外配重環(huán)或配重塊模擬管體質量和重量（重力相似比尺3次方）、纜索上串聯(lián)彈簧模擬錨固系統(tǒng)約束剛度（彈性相似比尺2次方）。原型纜索的剛度根據強度確定，按其破斷力等于9倍初張力設計。

3.3 工況及組合

工況分環(huán)境工況與結構工況。前者對同構造特征或參數的模型在不同荷載下的響應差別進行比較，后者對不同構造特征或參數的模型在同一荷載下的響應差別進行比較。簡言之，只改變模型，或只改變環(huán)境，觀察模型響應的變化，從中學習模型結構行為、總結機理。

對于改變環(huán)境，也即改變波、流、撞擊力，較常規(guī)在此不贅述。改變模型的試驗方法為，首先確定一個懸浮隧道模型的基準構造，再以此構造為基礎，每次只改變一項構造特征或構造參數，成為比較工況。

基準模型是：單管斷面、比尺1∶50、管體有效長度24 m、兩端固接，凈浮力8 kg/m（即懸浮隧道模型浸沒時沿著長度方向每米大約80 N向上力），彈簧剛度對應300 m水深時的纜索剛度值，纜索布設兩斜兩豎，纜索豎向分力均勻分配。

比較模型是：①比尺1∶100作為基準比尺1∶50的比較工況。②纜索布設見圖5，基于此考慮不同初張力分配，例如圖5（a）2根豎纜和2根斜纜所承擔的豎向凈浮力分別為50%和50%、25%和75%、75%和25%。③纜索長度與試驗模擬的原型水深條件有關，原型直接影響錨索剛度和質量。介于試驗水池的水深只有2 m，即便按1∶50縮尺最多也只能模擬約100 m水深的原型環(huán)境。因此試驗中忽略錨索實際尺寸和質量，只滿足彈性相似，也即只通過串聯(lián)不同剛度的彈簧來模擬90 m、150 m、300 m、450 m的水深條件。另一個更真實但代價更大的方案是改造水池。④模型端部約束比較工況見圖6。對鋼棒芯施加軸拉力是作為將來工程特殊考慮的預備試驗。⑤設計基準凈浮力8 kg/m，比較模型凈浮力為4 kg/m和12 kg/m，如果用文獻常用浮重比BWR來描述凈浮力，就分別是1.09、1.19和1.3（凈浮力是浮力與重力之差，BWR是兩者之商）。⑥部分鋼棒芯打磨弱化，模擬可能存在的剛度偏弱的中間接頭。⑦雙管錨索式懸浮隧道和雙管浮筒式懸浮隧道。后者設計可類比倒置的浮橋，浮筒模型的尺寸和重量相似分別通過泡沫和配重實現(xiàn)，并在浮筒及其與管體連接部位設置流體力測量儀。⑧考慮水池條件，設置長48 m特殊懸浮隧道模型，對應2.4 km長懸浮隧道（超過約2 km長的世界最大跨索橋），平面60°放入水池中。

圖5 錨索布置Fig.5 Lineslayout

圖6 端部約束Fig.6 End connections

真實波浪是多向且不規(guī)則的，蛇形造波機最適宜，但這種水池當前較罕見、已有水池申請排隊時間長，另一方面機理試驗工況很多，不具備可實施性。機理試驗關注結構（且注重邊界清晰）因而單向波流水池亦能達到目的。斜向浪作用于懸浮隧道可能由于管體沿程相位不同而激發(fā)非第一階共振。移動造浪板或轉動模型都可制造斜向浪。轉動模型一種構想是在水池池底、模型下方設“中餐轉盤”，另一種是水池排水，干環(huán)境重裝模型。

工況組合原則是效率優(yōu)先，也即方便工況轉換，盡量減少調整次數和總工作量。工作量大的動作例如替換模型管體、模型或測量系統(tǒng)維修，這些工作需要將水池的水排干；工作量較大的動作例如端部約束固結轉鉸結或自由、錨固方式置換（圖 5（a）～（e）），這些工作可能需要排一部分水；工作量較小的動作包括敲擊、調節(jié)纜力分配、流場生成等。

3.4 可重復、可再現(xiàn)原則

為比較構造特征變化時的模型響應的改變，滿足可重復、可再現(xiàn)原則是懸浮隧道結構行為機理試驗的關鍵。因為只有模型及其構件和子件可重復，模型固有力學特性在試驗前可被精確測量，在試驗過程中其改變是微小的，不影響觀察，模型響應是可被精確測得的，水動力環(huán)境可精確測量，水動力條件在試驗期間是可控的，同一工況是可再現(xiàn)的，試驗的失敗率、模型及觀測的錯誤率、工作失效風險是可控的，才可能觀察結構行為的細小差異，在不同構造特征的模型之間進行比較，產生新知識。

3.5 水動力環(huán)境

水池布置盡可能降低試驗水池邊壁對懸浮隧道模型周圍流場的干擾，保障試驗準確性和規(guī)律性。水池上宜設兩座移動橋（圖3），方便試驗工作，包括試驗模型布設以及測量儀器與線路的布置?？紤]水下纜力調節(jié)、敲擊模型等作業(yè)，預先準備下水穿戴和設備。試驗前，對流場環(huán)境波浪和水流進行率定，對水動力場進行評估，形成正式報告，作為試驗可繼續(xù)往后進行的判斷依據（對于大型系統(tǒng)試驗而言返工或試驗無效代價巨大）。水池中設置醒目試驗標識。水清澈，從水池岸邊可目測水下懸浮隧道模型。實際海底地形起伏不平，考慮機理試驗更關注結構，所以不額外模擬實際地形；因同樣的原因，忽略基礎變位，錨索與池底連接的錨點設為不動點。波浪、水流及波流等環(huán)境工況均需在試驗前率定，在試驗期間也需持續(xù)觀測，確保水動力環(huán)境的可知與可控。

3.6 測量

懸浮隧道工程原型關注的結構響應就是模型需要被觀測的響應，包括：整體運動姿態(tài)、特征位置加速度和撓度、鋼棒芯特征位置應變（包括端部應變）、鋼棒芯軸向伸長量、纜索拉力和攝像。要求各類測量系統(tǒng)統(tǒng)一坐標系與方向，并編號。測量系統(tǒng)需第三方或現(xiàn)場檢驗。對于重要物理量，采用兩種及以上觀測方式從而相互驗證。測量布置設計過程稿見圖7。

圖7 測量布置Fig.7 Measurement layout

4 實踐、反饋與思考

2018年7月提出構想，并推動，于2018年9月完成試驗概念設計，交與試驗人員細化實施。分兩隊，大工團隊對模型進行詳細設計與制造，天科院團隊準備水動力環(huán)境。兩隊工作平行開展。12月模型制造并調試好，從大連運輸至天津建造好的試驗水池。2019年1月完成模型第1次架設，隨即開始試驗?，F(xiàn)場試驗團隊由島隧總部、大連理工和天科院成員組成，天科院協(xié)調。工作分工與合作模式如圖8所示。完成一次懸浮隧道的整體模型設計、制造、架設與灌水起浮，如同完成了一個懸浮隧道迷你工程。

圖8 試驗分工與工作模式Fig.8 Test work-split and work-mode

試驗開始后，隨即發(fā)現(xiàn)問題并停下來討論與整改，并于4月份重啟。實踐過程的主要發(fā)現(xiàn)有：1）機理試驗本身存在許多值得研究的問題（因沒有直接借鑒資料），因而將早期試驗工作稱為第一代機理試驗，或“試驗前的試驗”，模型稱為“模型的模型”；2）為確保試驗數據的有效性，需要系統(tǒng)支撐、判斷和記錄，進而提出第二代機理試驗設計方案作為正式試驗，見本文第5節(jié)；3）較多應變片在初次波浪試驗過后失效，細長柔性體水動力試驗需注意結構安全與測試儀器量程范圍及安全；4）提出并比選了3種凈浮力模擬方法，見圖9。

圖9 浮力的3種模擬方法Fig.9 Three simulation methodsof buoyancy

圖9 （c）即第一代模型方案。內嵌配重環(huán)，意味著每次改變凈浮力都需要更換管體，且對于該機理試驗，由于模型制造工藝復雜，存在較大的管體力學性能和測量儀器不能做到100%可重復和可再現(xiàn)的風險。圖9（a）用吊繩模擬，優(yōu)點是不需更換管體，且調節(jié)最靈活，缺點是模型管體豎向運動失真；圖9（b）用外置套環(huán)模擬，優(yōu)點同吊繩模擬，缺點是管體表面的凸起鋼環(huán)導致模型不再嚴格滿足形狀相似，且凸起程度隨凈浮力模擬要求存在差異，作用于模型的流體力可想而知存在差異。綜合利弊，第二代試驗選擇外套配重環(huán)。值得一提，吊繩式凈浮力模擬方式為懸浮隧道整體行為純結構能耗機理試驗提供了啟發(fā)，另見它文。

5 第二代機理試驗

機理試驗比一般意義工程試驗更難以實現(xiàn)的本質原因是試驗目標不僅尋找答案或證明答案，還用來發(fā)現(xiàn)新問題與觀察意料之外的現(xiàn)象。因此需要將所有工作放在系統(tǒng)中來考慮和接受檢驗。結合原則和實踐，試驗系統(tǒng)見圖10，只有系統(tǒng)正常工作才能證明試驗結果有效，分4個子系統(tǒng)：1）模型體系；2）環(huán)境體系；3）支撐體系；4）驗證體系。

圖10 第二代機理試驗系統(tǒng)Fig.10 Second generation mechanism test system

為了確保模型制造精度，也即確?？芍貜?、可再現(xiàn)原則，模型體系強調工具化、裝配化。例如，配重環(huán)標準化為基礎環(huán)、帶吊耳環(huán)、連接測量架系統(tǒng)環(huán)、模型管體分段部位重量調節(jié)環(huán)，以及撞擊部位傳力環(huán)。工具化、裝配化也提高模型工況轉換效率，進而提高試驗整體效率。工裝屬于模型體系的一部分。

支撐體系包括數據管理、標準化、風險管理和試驗團隊。數據管理需做到物理時間過程同步、建立用于指導試驗動態(tài)決策的數據分析平臺。標準化用于降低試驗人員安全風險與試驗風險，對模型、模型節(jié)段、節(jié)段構件、子件、零件、測量儀器等進行編號，試驗人員交流形成專用術語。

機理試驗工況多。前面工作未檢驗就開始做后面的工作，再又發(fā)現(xiàn)前面的工作并不滿足要求，導致試驗結果無效的損失大，進而試驗失效風險大。圖11描述了試驗主要工作及工序層次關系，試驗中需動態(tài)調整關鍵路徑，確保試驗高效。建立試驗信息記錄檢查判別清單，內容包括原材料檢驗、測量元件檢驗、自檢記錄、第三方檢驗等。

圖11 試驗工序Fig.11 Test procedures

6 結語

對于前瞻性工程問題，沒有可借鑒的工程案例，為了讓試驗可行，將試驗分為機理、參數和工程3階段。本文提出懸浮隧道整體結構行為機理試驗，系統(tǒng)地介紹了從機理試驗的構想到實踐再反饋的過程與背后的討論。機理試驗的關鍵在于可重復、可再現(xiàn)，試驗方法本身也值得研究。

有關懸浮隧道進一步的試驗工作。1）由于水池尺寸限制，該試驗不可避免地存在較大尺寸效應。懸浮隧道整體結構機理試驗需要與節(jié)段真實剛度參數試驗相結合?，F(xiàn)有試驗大水槽可將懸浮隧道管體比尺做到1∶5以上；2）目前已在武漢開展懸浮隧道整體行為純結構試驗，純結構試驗與水池試驗有可能共享同一個懸浮隧道模型，進而后者的結果通過前者的結果分析并剝離出單純的水對懸浮隧道結構行為機理的影響；3）隨著結構與設計方法進一步發(fā)展，第三階段工程試驗需要加強水動力環(huán)境模擬，包括模擬不均勻流和多向不規(guī)則波等。