魏佳奇 ，林巍 ，劉凌鋒 ，鄒威 ，周卓煒

（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.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

懸浮隧道橫斷面擬定設(shè)計(jì)方法尚無文獻(xiàn)描述。作者根據(jù)沉管干舷計(jì)算研究[1]與有關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2]以及懸浮隧道工程技術(shù)研究[3]，結(jié)合調(diào)研，以公路隧道為例，提出懸浮隧道管體典型橫斷面結(jié)構(gòu)擬定方法。

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及約束

懸浮隧道概念設(shè)計(jì)橫斷面擬定需同時(shí)滿足：

1）空間需求?？深惐瘸凉埽杩紤]懸浮隧道的特殊性，如可調(diào)載空間及未來發(fā)展趨勢(shì)。

2）重量設(shè)計(jì)。應(yīng)比沉管要求更嚴(yán)苛。滿足后文推導(dǎo)的公式（1）和（2）。

3）結(jié)構(gòu)抗力。

將以上三者作為橫斷面的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、擬定假設(shè)和繪圖約束，繪制各類趨于合理的橫斷面形式。

對(duì)于岸邊連接、（可能的）中間接頭、錨固斷面、緊急停車帶或風(fēng)機(jī)壁龕部位屬于特殊橫斷面或局部構(gòu)造，這些部位可基于典型橫斷面細(xì)化，且不受上面第2點(diǎn)制約，不在本文深入討論。

2 空間需求

2.1 現(xiàn)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(shí)中隔墻分離；2）長(zhǎng)隧道設(shè)置人員逃生通道；3）橫向聯(lián)絡(luò)通道；4）應(yīng)急停車帶或額外應(yīng)急車道及懸浮隧道“永不沉沒”安全理念；5）防沖擊墻壁構(gòu)造；6）防水淹構(gòu)造。7）考慮未來科技發(fā)展[4]，新能源汽車引起火災(zāi)與通風(fēng)設(shè)計(jì)需求改變以及無人駕駛車對(duì)隧道建筑限界設(shè)計(jì)規(guī)范的改變。

2.2 建筑限界

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

2.3 風(fēng)機(jī)安全需求

國內(nèi)公路交通因各種原因?qū)е萝囕v超高現(xiàn)象較為普遍，鑒于射流風(fēng)機(jī)質(zhì)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(yán)重安全隱患[8]?？傮w而言，射流風(fēng)機(jī)邊沿與隧道建筑限界頂部?jī)艟嗖灰诵∮?5 cm[8]。文獻(xiàn)[9]假定風(fēng)機(jī)距隧道拱頂?shù)木嚯x為1.2倍其直徑，從數(shù)模研究發(fā)現(xiàn)并建議風(fēng)機(jī)高度應(yīng)盡量接近建筑限界。

2.4 路面層預(yù)留厚度

文獻(xiàn)[6]推薦隧道基層厚度宜為150～200 mm，對(duì)于面層厚度，高速公路以及一級(jí)公路宜為240～260 mm，二級(jí)公路220～240 mm，三四級(jí)公路200～220 mm。此外，面層和基層下方預(yù)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(yù)留路面橫坡增厚，路面橫坡通常1.5%～2.0%，設(shè)置超高時(shí)甚至可達(dá)5.0%。

2.5 調(diào)載空間

懸浮隧道調(diào)載空間預(yù)留是為了：1）補(bǔ)償管內(nèi)增重，增重來自路面與內(nèi)裝等；2）運(yùn)營(yíng)期重量變化。對(duì)后者的補(bǔ)償是一種主動(dòng)調(diào)載（被動(dòng)調(diào)載是通過結(jié)構(gòu)“抗或讓”或兩者兼顧來實(shí)現(xiàn)）。調(diào)載預(yù)留空間取決于調(diào)載物密度，常見調(diào)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(diào)載物可增加亦可減少。如果調(diào)載箱設(shè)置在橫斷面以外，則橫斷面擬定時(shí)不需預(yù)留調(diào)載空間。

2.6 裝飾防火墻

文獻(xiàn)[13]表明板材厚度不宜超過70 mm。板材長(zhǎng)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(jīng)驗(yàn)，需考慮曲線形預(yù)留、預(yù)制偏差、安裝偏差與運(yùn)營(yíng)期錯(cuò)邊與機(jī)械磨損等。施工偏差取決于工法、工藝和線形管理。文獻(xiàn)[14]給出歐美沉管曲線加寬、沉降預(yù)留、安裝偏差、路面磨損、混凝土表面預(yù)制偏差等參考值。

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

3 重量設(shè)計(jì)

橋梁、道路與其它既有類型隧道一旦建成與使用，通常不關(guān)注其自重變化，因?yàn)樽灾刂苯觽魅牖A(chǔ)。沉管僅在施工時(shí)期關(guān)注重量平衡設(shè)計(jì)[15]，因?yàn)樾瓒虝旱兀◣讉€(gè)月或幾天）借用水之力實(shí)現(xiàn)浮運(yùn)、安放與對(duì)接，港珠澳大橋島隧工程有33節(jié)沉管，鋼筋含量不同導(dǎo)致總重不同，作者作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)詳細(xì)計(jì)算與校核33節(jié)沉管干舷、管頂干舷調(diào)節(jié)混凝土、管內(nèi)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(shù)等一系列重量問題[1，11，15]，給出設(shè)計(jì)指令。相比而言，懸浮隧道永久地（數(shù)十年或更長(zhǎng)）依靠水浮力生存。因而重量計(jì)算需要更全面、更細(xì)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(jié)構(gòu)BWR=1（即RB=0），作者建議管體BWR也取1，進(jìn)而管體不會(huì)因自身凈浮力產(chǎn)生縱向內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)置越大，優(yōu)點(diǎn)是彈振越不易發(fā)生，系統(tǒng)剛度與自振頻率呈升高趨勢(shì)，缺點(diǎn)是對(duì)錨固系統(tǒng)與基礎(chǔ)設(shè)置的要求提高，方案商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵；水動(dòng)力環(huán)境越強(qiáng)的地方，BWR或RB需設(shè)置得越強(qiáng)來避免彈振（slack and snap）發(fā)生[17]。后者在實(shí)用性和真實(shí)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(shù)不小于1.2～1.4[18-19]，最高可達(dá)5.0。

從擬定懸浮隧道橫斷面設(shè)計(jì)工作實(shí)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(shí)用與便利[20]。

既有研究對(duì)BWR與RB工程應(yīng)用并未進(jìn)行認(rèn)真考量，為了在最早概念設(shè)計(jì)階段擬定合理橫斷面，提出將它們區(qū)分為運(yùn)營(yíng)期目標(biāo)值BWRu、RBu和橫斷面擬定設(shè)計(jì)值 BWRd、RBd，“u”和“d”分別代表隧道使用（use）與設(shè)計(jì)（design）。下文詳述兩者的關(guān)聯(lián)。

3.2 重量變化因素

懸浮隧道重量變化因子總結(jié)見表1，參數(shù)取值或假定見文獻(xiàn)[12]，在此不贅述。

表1 懸浮隧道重量變化因子及橫斷面設(shè)計(jì)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(dòng)力荷載，快到與懸浮隧道結(jié)構(gòu)自振周期在一個(gè)量級(jí)進(jìn)而可能引起懸浮隧道的動(dòng)力增幅響應(yīng)，該部分荷載對(duì)于浮筒式懸浮隧道預(yù)計(jì)只能通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度抵抗，因而不需考慮，對(duì)于錨索式懸浮隧道，是在3.1節(jié)作為動(dòng)力荷載輸入條件，進(jìn)而計(jì)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(shí)靜力荷載，快到通過調(diào)節(jié)荷載來減緩結(jié)構(gòu)響應(yīng)或調(diào)節(jié)隧道線形是不現(xiàn)實(shí)的；③緩慢變化荷載，慢到通過調(diào)載來減緩結(jié)構(gòu)響應(yīng)是可行的；④一次性增加荷載，例如從施工到運(yùn)營(yíng)期增加管內(nèi)內(nèi)裝和路面鋪設(shè)；⑤因不可知而“引起的”荷載，又可具體分為測(cè)量干舷之前的與之后的；⑥預(yù)壓載、可調(diào)節(jié)荷載，這類荷載可用于補(bǔ)償③與④對(duì)結(jié)構(gòu)體系造成的重量影響；對(duì)于不可知的⑤，可通過補(bǔ)償一半的中庸辦法來盡可能接近預(yù)想BWRu，另一半則必須通過結(jié)構(gòu)自身來承擔(dān)。

為推導(dǎo)橫斷面設(shè)計(jì)擬定用公式，對(duì)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(jìn)一步細(xì)分。

目標(biāo)凈浮力RBu與橫斷面設(shè)計(jì)用凈浮力RBd的對(duì)應(yīng)關(guān)系見式（1）。從該公式亦可推出BWRu與BWRd相關(guān)聯(lián)的隱式。

2.5 節(jié)所述調(diào)載重量計(jì)算見式（2）。

4 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗力要求相對(duì)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(nèi)沉管結(jié)構(gòu)壁厚案例見表2。

表2 國內(nèi)沉管隧道結(jié)構(gòu)壁厚參考案例Table2 Wall thicknesses casestudies on immersed tunnels

5 結(jié)語

結(jié)合中交港珠澳大橋島隧工程沉管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步提出懸浮隧道管體橫斷面設(shè)計(jì)擬定方法。下一步工作：1）通過實(shí)測(cè)或深入文獻(xiàn)研究關(guān)鍵可變荷載變化幅度，例如水生物生長(zhǎng)，混凝土吸水等，進(jìn)一步確保BWR或RB范圍可知；2）與隧道內(nèi)裝供應(yīng)商如風(fēng)機(jī)研發(fā)單位合作來更精確地預(yù)測(cè)與確定空間需求。