水下懸浮隧道的技術(shù)現(xiàn)狀和未來(lái)展望

Marcel ‘t Hart,Arianna Minoretti,李 英

(1.隧道工程咨詢公司(TEC),荷蘭 阿默斯福特 3828 GZ; 2.挪威公共道路管理局技術(shù)開(kāi)發(fā)部,挪威 特隆赫姆 7468)

0 引言

試想一下,若不用渡輪,該如何穿越一條又深又長(zhǎng)的海峽呢?如果有一條隧道,深度未達(dá)到海底,只是懸浮在水面以下20～30 m,那將大大節(jié)省穿越時(shí)間。在這種穩(wěn)定的浮力結(jié)構(gòu)支持下,在很短的距離內(nèi)就可達(dá)到一定深度且不影響水上的船舶航行。

水下懸浮隧道(submerged floating tunnel,SFT),又稱水下懸浮管橋(submerged floating tunnel bridge,SFTB),該技術(shù)由來(lái)已久。水下懸浮隧道的概念在19世紀(jì)末就已經(jīng)提出,但當(dāng)時(shí)缺乏實(shí)現(xiàn)技術(shù)。20世紀(jì)80年代,石油天然氣領(lǐng)域出現(xiàn)了張力腿平臺(tái)技術(shù),增加了實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的可能性。同時(shí),在20世紀(jì)80年代,挪威的F.Selmer A/S公司利用這個(gè)概念建造了水下懸浮隧道的前身——挪威卡莫伊的水下懸浮矩形混凝土結(jié)構(gòu),用來(lái)保護(hù)并引導(dǎo)2條岸上的天然氣管道。此后,世界各地的若干個(gè)水下通道工程也曾提出采用水下懸浮隧道,比如意大利的科莫湖(1984)、中國(guó)的千島湖(2004)、挪威西海岸的深長(zhǎng)峽灣(索格內(nèi)峽灣,2012),但這些都沒(méi)有真正建成。

由于對(duì)這種需將外海、海洋(海底)和沉管隧道幾種要素進(jìn)行組合的結(jié)構(gòu)還缺乏信心,同時(shí)市場(chǎng)上還存在浮橋等替代品,導(dǎo)致水下懸浮隧道方案[1]遲遲未得到真正采用。

近年來(lái),建筑物對(duì)環(huán)境的影響(包括噪聲污染和景觀破壞)越來(lái)越受到關(guān)注,為評(píng)估水下懸浮隧道提供了新的機(jī)會(huì)和可能性。

1 懸浮隧道的概念

懸浮隧道是一種位于水面以下一定深度的懸浮管橋,其結(jié)構(gòu)形式是隧道,但實(shí)質(zhì)上是橋梁,因此又稱“水下懸浮管橋”。這種結(jié)構(gòu)適用于短距離跨越(通常幾百米)或增加中部支撐后的長(zhǎng)距離跨越。

1.1 懸浮隧道的4種支撐形式

根據(jù)懸浮隧道的深度和環(huán)境特征(如具體的巖土類型和船舶交通情況),其中部支撐分為多種類型,而且還可以多種類型組合使用,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常靈活。總體而言,懸浮隧道的支撐可以分為4種:岸錨式、橋墩支撐式、浮筒固定式和錨索固定式,見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 不同支撐形式的水下懸浮隧道(A.W.Soler?d-挪威國(guó)家公路局)

(a) 浮筒固定式

1.2 水下懸浮隧道安裝及與岸上對(duì)接方式

水下懸浮隧道的安裝及其與岸上的對(duì)接比較依賴于區(qū)域特征,具體案例如圖3所示。水下懸浮隧道通過(guò)中間對(duì)接結(jié)構(gòu)與岸上的巖石隧道對(duì)接,具體的對(duì)接細(xì)節(jié)在《挪威比約納峽灣水下懸浮隧道可行性研究》(12149-OO-R-31)中已有說(shuō)明。該案例將巖石隧道開(kāi)挖延長(zhǎng)到連接區(qū)域,并對(duì)連接區(qū)域隧道腔室進(jìn)行擴(kuò)挖,加固巖石隧道端頭與連接區(qū)的封門,同時(shí)對(duì)連接區(qū)腔室進(jìn)行填砂,防止外部巖體開(kāi)挖時(shí)的沖擊波;最后,將懸浮隧道岸上段通過(guò)外部纜索(圖3中紅色線)牽拉入擴(kuò)大的連接區(qū)腔室內(nèi)進(jìn)行安裝,再鋪設(shè)壓載層和混凝土;岸上段采用水中浮力塔作為臨時(shí)施工操作井。

(a)

1.3 懸浮隧道不同支撐形式對(duì)比

懸浮隧道4種不同的支撐形式對(duì)比見(jiàn)表1。?stlid[2]和ITA-AITES[3]發(fā)布的指南中對(duì)不同類型的中間支撐進(jìn)行了更詳細(xì)地闡述,并討論了水下懸浮隧道的適用條件。

表1 懸浮隧道4種支撐形式對(duì)比

1.4 不同跨海通道形式對(duì)比

水下懸浮隧道是介于橋梁和海底隧道之間的另一種選擇,見(jiàn)圖4。傳統(tǒng)的沉管隧道設(shè)計(jì)在淺水中更有優(yōu)勢(shì),如果通道水深很深,由于公路或軌道交通縱向線形最大坡度的限制,隧道將變得很長(zhǎng)。這一論點(diǎn)也適用于TBM隧道(見(jiàn)圖4海底隧道),為了完成深層穿越,需要考慮TBM隧道上方的覆蓋層及隧道的縱向坡度。上述這2種隧道中的限制也是其他傳統(tǒng)穿越解決方案要討論解決的問(wèn)題。對(duì)比沉管隧道和TBM隧道,沉管隧道只需要很薄的覆蓋層,因此同一個(gè)位置穿越的沉管隧道比TBM隧道更短。另外,沉管隧道通常為矩形斷面,空間利用率高,1個(gè)斷面就可以容納各種交通方式,尤其當(dāng)用于跨河且交通容量較大的短通道時(shí)更有優(yōu)勢(shì); 而TBM隧道通常為圓形斷面,空間利用率相對(duì)較低,有時(shí)需要采用多個(gè)管道,就更不占優(yōu)勢(shì)。其次,TBM 始發(fā)及接收還需要開(kāi)挖深基坑豎井。

圖4 不同跨越形式示意圖[2]

對(duì)于跨度約2 000 m的通道,可考慮采用大跨橋梁(目前懸索橋的最長(zhǎng)主跨為2 023 m,土耳其恰納卡萊大橋)。如果跨度增加,橋梁方案將不可行,因此需要考慮其他結(jié)構(gòu)形式。此時(shí),浮筒式或錨索式水下懸浮隧道就成為了一種選擇。?stlid[2]對(duì)懸浮隧道何時(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究。

顯然,跨水結(jié)構(gòu)是一種特定位置的結(jié)構(gòu),必須考慮其周邊環(huán)境,以選擇技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上可行的最佳解決方案。

懸浮隧道主隧道結(jié)構(gòu)有多種斷面形式,例如:采用多管系統(tǒng)+橫通道連通模式,在發(fā)生火災(zāi)時(shí)橫通道可提供額外的安全保護(hù),在發(fā)生事故時(shí)可操作性更強(qiáng)。水下懸浮隧道可以同時(shí)兼容多種交通形式,如鐵路、機(jī)動(dòng)車、行人和非機(jī)動(dòng)車等。該結(jié)構(gòu)可選擇不同的技術(shù)方案,包括不同的幾何形狀、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng),可根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。不同的方案及其組成形式會(huì)給特定環(huán)境下的結(jié)構(gòu)可持續(xù)性帶來(lái)不同影響。

2 指南(fib及ITA的標(biāo)準(zhǔn))

為了幫助設(shè)計(jì)和施工人員將懸浮隧道結(jié)構(gòu)真正作為現(xiàn)有跨越方式的一種可替代形式,近年來(lái),國(guó)際學(xué)術(shù)學(xué)會(huì)已經(jīng)發(fā)布了一些國(guó)際性的指南。

1)國(guó)際結(jié)構(gòu)混凝土聯(lián)合會(huì)(fib)在2020年發(fā)布了《水下懸浮管橋(SFTB)設(shè)計(jì)指南》[4](fib公告第96號(hào)),旨在為技術(shù)人員提供水下懸浮管橋設(shè)計(jì)方案指南。

2)國(guó)際隧道和地下空間協(xié)會(huì)(ITA)在2023年發(fā)布了《水下懸浮隧道(STF)業(yè)主指南》[3],旨在向基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)主說(shuō)明,水下懸浮隧道相比傳統(tǒng)隧道的適用性。

關(guān)于普通的橋梁和隧道,早在幾十年前就已經(jīng)有了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),而且工程實(shí)踐也驗(yàn)證了這些標(biāo)準(zhǔn)的可行性。而關(guān)于水下懸浮隧道,目前缺少系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn),已有的標(biāo)準(zhǔn),如歐洲規(guī)范和美國(guó)公路及交通工程師協(xié)會(huì)規(guī)范(AASHTO),涉及的并不全面。因此,需要結(jié)合使用結(jié)構(gòu)、海上、海洋甚至防波堤等各個(gè)方面的設(shè)計(jì)規(guī)范,形成一套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),覆蓋懸浮隧道設(shè)計(jì)的方方面面,如荷載、抗力、災(zāi)害和目標(biāo)可靠度。將各個(gè)方面的規(guī)范結(jié)合起來(lái),可能會(huì)使設(shè)計(jì)偏于保守而不具經(jīng)濟(jì)性,或是存在不同的要求相互沖突,導(dǎo)致設(shè)計(jì)不可行。目前,挪威國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已率先將這種結(jié)構(gòu)納入國(guó)家橋梁手冊(cè)(2020)。

3 懸浮隧道已有的研究和方案

自1886年英國(guó)海軍建筑師Edward James Reed提出懸浮隧道這個(gè)想法后,一些關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的方案不斷出現(xiàn)。目前已有的關(guān)于懸浮隧道或懸浮管橋的研究見(jiàn)表2。

表2 水下懸浮隧道/水下懸浮管橋已有研究

挪威比約納峽灣穿越方案的可行性研究詳細(xì)介紹了隧道管節(jié)接頭連接系統(tǒng),并對(duì)潛艇碰撞、船只碰撞浮筒、安裝結(jié)構(gòu)的海上操作等進(jìn)行了分析。

在技術(shù)認(rèn)證方面,隨著離岸和油氣領(lǐng)域的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累,錨索系統(tǒng)連接等技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,具有較高的可靠性。

如今,挪威有若干個(gè)穿越項(xiàng)目都提出了水下懸浮管橋方案,并將其與其他方案一起進(jìn)行評(píng)估。

4 研究現(xiàn)狀及新的挑戰(zhàn)

水下懸浮隧道技術(shù)是一個(gè)研究熱門,全球各地的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和私營(yíng)企業(yè)已針對(duì)水下懸浮隧道的各方面開(kāi)展了課題研究。本文作者也都是各自領(lǐng)域懸浮隧道研究小組的活躍分子。Minoretti參與了挪威公共道路管理局主導(dǎo)的挪威E39高速公路的開(kāi)發(fā)建設(shè);‘t Hart參加了由中交集團(tuán)牽頭的“中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究小組”,該小組專注于懸浮隧道的總體可行性研究及其在中國(guó)的應(yīng)用,并得到了公共和私營(yíng)公司的合作支持(如荷蘭隧道工程咨詢公司TEC以及荷蘭代爾夫特理工大學(xué))。以下著重介紹其中的一部分研究課題。

4.1 流體-結(jié)構(gòu)相互作用

水下懸浮隧道的周圍都是水,而水會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜水荷載。此外,水的流動(dòng)也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載,水流、風(fēng)浪以及涌浪都會(huì)影響結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的響應(yīng)在很大程度上取決于流體-結(jié)構(gòu)相互作用。已針對(duì)這一課題開(kāi)展了很多理論研究及實(shí)驗(yàn)室縮尺試驗(yàn)。斷面形狀[5]和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[6-7]是目前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)該主題的理論研究已發(fā)表在文獻(xiàn)[4]懸浮隧道指南中,且懸浮隧道最新的可行性研究已提出要根據(jù)特定荷載優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何形狀。

4.2 沖擊

每種結(jié)構(gòu)都會(huì)受到荷載的沖擊,水下懸浮隧道也不例外。然而,除了作用在橋梁上的常規(guī)基礎(chǔ)設(shè)施荷載外,其他荷載也會(huì)對(duì)懸浮隧道結(jié)構(gòu)造成沖擊,這些沖擊主要來(lái)自于結(jié)構(gòu)周圍的水動(dòng)力環(huán)境。因此,隧道抗震性能也是一大研究課題,水下懸浮隧道的抗震性能不僅會(huì)影響基礎(chǔ)(錨索固定)的設(shè)計(jì),也會(huì)影響結(jié)構(gòu)與岸上的連接[8]。

由于隧道上方甚至下方均會(huì)有船舶和潛艇航行,因此可能出現(xiàn)船只沖擊、拖錨或沉船等情況。例如:挪威比約納峽灣穿越的概念設(shè)計(jì)中就涉及了潛艇沖擊研究,因?yàn)樵搮^(qū)域是挪威海軍的訓(xùn)練區(qū)[9]。

其次,還需要考慮其他非常規(guī)沖擊,例如:在北極區(qū)域的冰荷載(如挪威的峽灣)以及來(lái)自結(jié)構(gòu)內(nèi)外的爆炸荷載,Kristoffersen等[10]和Luo等[11]的研究課題就涉及了結(jié)構(gòu)的內(nèi)部爆炸荷載方面。

4.3 連接

水下懸浮隧道的連接包括管節(jié)之間的連接以及與兩岸的連接。動(dòng)態(tài)環(huán)境中的水下懸浮隧道和兩岸受支承的陸地隧道(新奧法或鉆孔法隧道)之間的連接存在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。對(duì)于懸浮隧道的連接,可采用沉管隧道的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)或?qū)ζ鋬?yōu)化后使用,但懸浮隧道的水密性與沉管隧道的又有所不同。在挪威提出的解決方案中,懸浮隧道管節(jié)是剛性連接的,需要多個(gè)步驟才能完成最終的連接。設(shè)計(jì)中常采用預(yù)緊和接頭混凝土澆筑形成整體連接。這種特定連接的其他研究可參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

4.4 交通荷載

與其他基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)一樣,水下懸浮隧道也存在交通荷載,因此可以用普通橋梁設(shè)計(jì)所采用的交通荷載分布模型。水下懸浮隧道依賴浮力平衡,設(shè)計(jì)中考慮了荷載的特定組合。實(shí)際上,懸浮隧道可能利用浮力來(lái)平衡垂直荷載;但對(duì)荷載組合和系數(shù)的特殊考慮已包括在現(xiàn)有的規(guī)范中,如《挪威設(shè)計(jì)手冊(cè)》。Torres等[13]研究了交通荷載在壽命周期內(nèi)的不規(guī)則性。

4.5 其他

還有很多其他研究課題已經(jīng)完成或正在進(jìn)行。應(yīng)對(duì)特定情況的具體研究和測(cè)試也已經(jīng)開(kāi)展,例如:部分結(jié)構(gòu)(如浮筒或錨索)的損失可能會(huì)損害結(jié)構(gòu)的完整性。魯棒性一直是設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵點(diǎn),必須證明即使發(fā)生整個(gè)結(jié)構(gòu)損失的意外情況,結(jié)構(gòu)也能夠承受。考慮到概率分析中的不確定性,極小概率的極值分析與結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度有關(guān)。目前,與水下懸浮隧道可靠度相結(jié)合的新技術(shù)是研究的主題。

新材料的發(fā)展將為這種大型結(jié)構(gòu)提供新的機(jī)遇。目前,基于在海上混凝土結(jié)構(gòu)方面的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn),對(duì)這種結(jié)構(gòu),在挪威流行使用混凝土。在該國(guó)最近的詳細(xì)研究中,如比約納峽灣穿越方案,就介紹了懸浮隧道的建造方法、安裝和海上作業(yè),以證明其可行性。

5 未來(lái)的發(fā)展機(jī)遇

5.1 水下懸浮隧道的優(yōu)點(diǎn)

相比水上跨越的形式,水下懸浮隧道方案極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),因其在水面之下,能夠減小主要的海洋荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。且在水下穿越還有一個(gè)優(yōu)勢(shì),即雖然與傳統(tǒng)的巖石隧道或海底隧道一樣,懸浮隧道需要和兩岸的結(jié)構(gòu)相連,但其可降低隧道本身與相連結(jié)構(gòu)的縱向坡度,從而相應(yīng)地縮短穿越距離。相比水上橋梁,水下穿越還能保護(hù)地形,減少對(duì)周圍區(qū)域的噪聲影響。

5.2 建議

要評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)對(duì)周圍環(huán)境的具體影響,需要進(jìn)行專門的分析研究,建議在設(shè)計(jì)階段早期加以考慮。隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視以及新材料、新技術(shù)給減少氣候影響所帶來(lái)的機(jī)遇,懸浮隧道這種巧妙的結(jié)構(gòu)有望獲得進(jìn)一步的推廣。

5.3 研究機(jī)構(gòu)

全球有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)都在研究懸浮隧道,國(guó)際隧道和地下空間協(xié)會(huì)(ITA)第11工作組(沉管隧道和懸浮隧道工作組)就有這些研究機(jī)構(gòu)的代表。ITA出版的《水下懸浮隧道業(yè)主指南》就是多個(gè)不同機(jī)構(gòu)共同合作研究的成果。在世界隧道大會(huì)(WTC)的年會(huì)上,協(xié)會(huì)成員們交流知識(shí)、想法和研究成果,進(jìn)一步推進(jìn)水下懸浮隧道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。目前,ITA第11工作組關(guān)于水下懸浮隧道的主要研究人員來(lái)自以下機(jī)構(gòu):挪威公共道路管理局的沿海高速公路E39項(xiàng)目、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)土木工程與地球科學(xué)系、意大利那不勒斯費(fèi)德里科二世大學(xué)工程和建筑結(jié)構(gòu)系、印度尼西亞泗水理工學(xué)院土木工程系、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院智能水下懸浮隧道系統(tǒng)研究中心、中國(guó)浙江大學(xué)懸浮隧道研究中心、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院、浙江大學(xué)和那不勒斯費(fèi)德里科二世大學(xué)之間的三邊國(guó)際網(wǎng)絡(luò)、荷蘭隧道工程咨詢公司(TEC)等。