懸浮隧道臨時壓載及管路系統(tǒng)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(shù)聯(lián)合研究組，廣東珠海 519015；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；4.中交第三航務(wù)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(yuǎn)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(dá)1.2~1.4，甚至5），凈浮力大；2）大壓載量導(dǎo)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(yù)制整體安裝懸浮隧道工法，其對延米壓載量變化敏感，應(yīng)注意控制二次壓載量，并據(jù)此設(shè)計管段沉放用浮吊數(shù)量及其布置；4）針對分段預(yù)制整體安裝懸浮隧道工法，如采用壓載水方案，則其對應(yīng)的管路系統(tǒng)長，水頭損失大。

沉管沉放較常采用管內(nèi)壓載水系統(tǒng)并已實現(xiàn)自動監(jiān)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(shù)可行性研究報告[4]指出，懸浮隧道管內(nèi)永久壓載可采用固體和液體（壓載水）相結(jié)合的方式，固體壓載為不可預(yù)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(diào)節(jié)，但未提及施工臨時壓載方式及管路系統(tǒng)布置。挪威伯約那（Bj覬rnafjord）峽灣懸浮隧道技術(shù)報告[5]提出了若干懸浮隧道臨時壓載及管路系統(tǒng)方案，與沉管壓載系統(tǒng)相似，并未考慮固體壓載。

本文依托中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組懸浮隧道實驗工程研究[6]，提出4種針對不同環(huán)境和工法的懸浮隧道臨時壓載及管路系統(tǒng)方案并進(jìn)行了比較，并對相關(guān)設(shè)計過程中的關(guān)鍵計算進(jìn)行了梳理，旨在為后續(xù)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(fēng)險

1.1 臨時壓載布設(shè)原則

懸浮隧道臨時壓載布設(shè)應(yīng)注意：1）壓載效率，管內(nèi)>管外；2）橫向布置應(yīng)考慮為臨時管路系統(tǒng)及施工期可能需要的人行或車行空間預(yù)留位置，縱向布置應(yīng)匹配管內(nèi)預(yù)制構(gòu)件模數(shù)；3）與固體壓載（如砂、石、預(yù)制混凝土塊）相比，水壓載具有價格便宜、方便調(diào)節(jié)等特點；4）壓載重心原則上應(yīng)與管節(jié)浮心共垂線，避免管體產(chǎn)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(shè)置壓載水箱長度或增設(shè)橫隔板等方式預(yù)防。

1.2 臨時管路系統(tǒng)布設(shè)原則

臨時管路系統(tǒng)布設(shè)考慮以下幾點：1）在滿足功能需求的前提下，管路系統(tǒng)構(gòu)件宜少，體系宜簡單；2）管路系統(tǒng)中價格昂貴的構(gòu)件如電驅(qū)動閥門，其使用數(shù)量應(yīng)盡量優(yōu)化；3）結(jié)構(gòu)設(shè)計、管路系統(tǒng)布設(shè)及構(gòu)件選型時，應(yīng)本著安全性原則，如盡量采用電驅(qū)動閥門，以避免管段沉放施工期間需人員進(jìn)入隧道內(nèi)部；4）空間布設(shè)原則。管路系統(tǒng)布設(shè)應(yīng)與臨時壓載塊及橫隔板布設(shè)、預(yù)制蓋板模數(shù)等相匹配；5）可靠性及便利性原則。如應(yīng)使用可靠的電驅(qū)動閥門，最大可能減小故障率；使用穩(wěn)定并輕便的水泵，并注意隧道內(nèi)各類電器的防潮和管路進(jìn)水口的堵塞等問題。

1.3 風(fēng)險減緩原則

懸浮隧道管體浮運、沉放施工主要風(fēng)險及預(yù)防措施：

1）斷面扭轉(zhuǎn)。如懸浮隧道管段結(jié)構(gòu)橫向不對稱（對于單孔隧道，由于排水溝、檢修道僅設(shè)一邊，較易產(chǎn)生橫向不對稱情況）而產(chǎn)生微小扭矩，應(yīng)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(diào)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(zhǔn)”問題。懸浮隧道管段預(yù)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(shè)計計算干舷與實際干舷有偏差[7]，這是不可避免的“算不準(zhǔn)”問題。對此，需采取措施以實現(xiàn)管段浮運、沉放全過程干舷可控，如一次壓載適當(dāng)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(nèi)試驗解決“算不準(zhǔn)”問題。

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

2 臨時壓載及管路系統(tǒng)方案構(gòu)想與比較研究

懸浮隧道實驗工程[6]采用分段預(yù)制整體安裝懸浮隧道、管體整體安裝方案，且在預(yù)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(yù)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(yù)制混凝土水箱方案、裝配式鋼結(jié)構(gòu)水箱方案、裝配式鋼結(jié)構(gòu)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(diào)載倉方案；初擬了4個臨時管路系統(tǒng)方案，分別是：同主分支穿倉式管路系統(tǒng)方案、同主同支穿倉式管路系統(tǒng)方案、分主分支穿倉式管路系統(tǒng)方案、同主同支掛壁式管路系統(tǒng)方案。限于篇幅，重點介紹經(jīng)過多輪討論推演比選后進(jìn)入“短名單”的4個臨時壓載及管路系統(tǒng)組合方案。

2.1 自帶重力預(yù)制混凝土水箱方案

基于沉管隧道裝配式鋼結(jié)構(gòu)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(xiàn)場批量預(yù)制；2）整體運輸，免去管內(nèi)拼裝作業(yè)；3）混凝土水箱自重大，減少所需壓載水量，可優(yōu)化臨時壓載管路體系。

自帶重力預(yù)制混凝土水箱臨時壓載及管路系統(tǒng)方案如圖2所示，采用同主同支自然進(jìn)水臨時管路系統(tǒng)，即進(jìn)水管和排水管采用相同的主管和支管。為避免進(jìn)、排水時水泵失效帶來的風(fēng)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(yù)制混凝土水箱臨時壓載及管路系統(tǒng)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(diào)載水方案

管段浮運、轉(zhuǎn)體前的一次壓載采用預(yù)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(yōu)點為：混凝土塊預(yù)制模板簡單；壓載水重心較低，有利于穩(wěn)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(nèi)沿縱向每隔一定距離設(shè)置1道橫隔板，該距離應(yīng)與管段及管內(nèi)構(gòu)件預(yù)制模數(shù)相匹配。臨時管路系統(tǒng)的支管路通過掀開行車蓋板或在行車蓋板穿孔下穿進(jìn)入壓載倉。

混凝土塊在管外預(yù)制，由臺車運輸至管內(nèi)，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(shè)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(dāng)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(yù)制混凝土塊固體壓載，懸浮隧道管段浮運、轉(zhuǎn)體后，利用水上掛袋船+潛水員潛水作業(yè)的方式在隧道外部預(yù)埋掛釘上對稱、均勻地外掛碎石袋進(jìn)行二次壓載。本方案優(yōu)點為取消了隧道內(nèi)部臨時壓載水管路系統(tǒng)，管內(nèi)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(dāng)懸浮隧道斷面較小且建設(shè)在風(fēng)浪環(huán)境復(fù)雜的外海海域，需要設(shè)計較大的浮重比。如采用傳統(tǒng)的臨時壓載方案，則需較多的延米壓載量，經(jīng)濟性無法保證。對于小斷面、大浮重比懸浮隧道，管段預(yù)制完成并浮運至預(yù)定安裝位置后，可現(xiàn)場拆除端封門，管段因負(fù)浮力而下沉，并依靠浮吊吊力保持平衡（圖6），管內(nèi)外均無需設(shè)置額外的壓載系統(tǒng)。采用本方案時，隧道內(nèi)預(yù)制構(gòu)件（包括路面板和預(yù)制水溝等）宜在隧道貫通后進(jìn)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(yōu)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(tǒng)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(nèi)陸湖小浮重比懸浮隧道適用壓載方案；2）分節(jié)預(yù)制浮運、水下分節(jié)對接懸浮隧道可用沉管類似壓載方案，分段預(yù)制整體安裝懸浮隧道傾向于用固體壓載；3）管內(nèi)空間緊湊、二次壓載量較少時可用管外壓載。

3 相關(guān)計算

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

上述7項相關(guān)設(shè)計計算中，鑒于1~5項計算較常規(guī)，下面僅討論第6、7項。

3.1 浮吊數(shù)量及布設(shè)、最大二次壓載量計算

對于分段預(yù)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(jìn)行二次壓載下沉，二次壓載一般采用管內(nèi)壓載水，可視為沿隧道縱向均勻布置。下沉階段應(yīng)重點關(guān)注浮吊數(shù)量及布設(shè)、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(shè)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(nèi)力遠(yuǎn)小于其承載力。

圖7 浮吊布設(shè)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(xiàn)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(shù)量的增多在施工設(shè)備投入上有所增加。

3.2 臨時管路系統(tǒng)功效和選型計算

3.2.1 計算方法

根據(jù)2.1節(jié)推薦方案（即自帶重力預(yù)制混凝土水箱方案）進(jìn)行管路系統(tǒng)功效和設(shè)備選型分析，假定通過水泵主動控制進(jìn)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(shè)僅在隧道一端設(shè)置水泵，總共n個混凝土水箱，沿隧道軸向按間距l(xiāng)均勻布置，理想狀態(tài)下每個水箱支管的設(shè)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(tǒng)管路Fig.8 Simplified temporary ballast water system pipeline

根據(jù)以上方案布置，由連續(xù)性方程可知：

根據(jù)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(shù)，取1.0；C為謝才系數(shù)，；D為主管直徑；ξ1為主管分支處局部損失系數(shù)，暫取0.1（以沿程水頭損失為主）。

聯(lián)立方程（1）、（2）和管路系統(tǒng)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(shè)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(nèi)完成進(jìn)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(shù)（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(tǒng)設(shè)施設(shè)備選型參數(shù)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(dāng)采用100 mm主管直徑時，水泵揚程僅需15 m；當(dāng)采用150 mm主管直徑時，自然進(jìn)水即可滿足要求。

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

此外，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)二次壓載時，管內(nèi)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(jié)果影響可忽略。

4 結(jié)語

拆除端封門讓水浸沒隧道內(nèi)部的壓載方案，臨時設(shè)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(nèi)陸湖小浮重比懸浮隧道：沉管類似壓載方案較適用于分節(jié)預(yù)制浮運、水下分節(jié)對接懸浮隧道。分段預(yù)制整體安裝懸浮隧道傾向于用固體壓載。管內(nèi)空間緊湊、二次壓載量較少時可用管外壓載。

分段預(yù)制整體安裝懸浮隧道臨時壓載下沉階段應(yīng)重點關(guān)注浮吊數(shù)量及布設(shè)和最大二次壓載量，下沉過程為撓度控制，管體內(nèi)力遠(yuǎn)小于其承載力。

當(dāng)采用水泵主動控制進(jìn)水時，隧道內(nèi)進(jìn)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?？刹捎脙啥诉M(jìn)水的方案減小管徑。壓載過程中管內(nèi)空氣壓縮對臨時管路系統(tǒng)計算影響較小，可忽略不計，因此不必額外設(shè)置排氣孔。