悬浮隧道临时压载及管路系统方案研究

刘凌锋，林巍，邹威，刘亚平，尹海卿

（1.中交悬浮隧道工程技术联合研究组，广东珠海 519015；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；4.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

拉锚式悬浮隧道浮运、沉放施工期间临时压载具有以下几个特点：1）比沉管需要更大的压载量，因为悬浮隧道浮重比（BWR）远大于沉管隧道（施工阶段的沉管BWR只有1.01~1.03，而悬浮隧道已有概念方案BWR高达1.2~1.4，甚至5），净浮力大；2）大压载量导致压载时间长，如所有压载量均在沉放阶段（二次压载），则压载施工占用海域时间长；3）如采用分段预制整体安装悬浮隧道工法，其对延米压载量变化敏感，应注意控制二次压载量，并据此设计管段沉放用浮吊数量及其布置；4）针对分段预制整体安装悬浮隧道工法，如采用压载水方案，则其对应的管路系统长，水头损失大。

沉管沉放较常采用管内压载水系统并已实现自动监控与加卸载[1-3]。对于悬浮隧道，挪威松恩（Sognefjorden）峡湾浮筒悬浮隧道（又称“悬浮管桥”）技术可行性研究报告[4]指出，悬浮隧道管内永久压载可采用固体和液体（压载水）相结合的方式，固体压载为不可预见的重量变化提供容错性，压载水则可兼顾临时施工阶段管体偏心距的调节，但未提及施工临时压载方式及管路系统布置。挪威伯约那（Bj覬rnafjord）峡湾悬浮隧道技术报告[5]提出了若干悬浮隧道临时压载及管路系统方案，与沉管压载系统相似，并未考虑固体压载。

本文依托中交悬浮隧道工程技术联合研究组悬浮隧道实验工程研究[6]，提出4种针对不同环境和工法的悬浮隧道临时压载及管路系统方案并进行了比较，并对相关设计过程中的关键计算进行了梳理，旨在为后续悬浮隧道实际工程项目的实施提供参考和借鉴。

1 原则及风险

1.1 临时压载布设原则

悬浮隧道临时压载布设应注意：1）压载效率，管内>管外；2）横向布置应考虑为临时管路系统及施工期可能需要的人行或车行空间预留位置，纵向布置应匹配管内预制构件模数；3）与固体压载（如砂、石、预制混凝土块）相比，水压载具有价格便宜、方便调节等特点；4）压载重心原则上应与管节浮心共垂线，避免管体产生额外扭矩。此外，为避免压载水纵向自由流动或晃荡，通过合理设置压载水箱长度或增设横隔板等方式预防。

1.2 临时管路系统布设原则

临时管路系统布设考虑以下几点：1）在满足功能需求的前提下，管路系统构件宜少，体系宜简单；2）管路系统中价格昂贵的构件如电驱动阀门，其使用数量应尽量优化；3）结构设计、管路系统布设及构件选型时，应本着安全性原则，如尽量采用电驱动阀门，以避免管段沉放施工期间需人员进入隧道内部；4）空间布设原则。管路系统布设应与临时压载块及横隔板布设、预制盖板模数等相匹配；5）可靠性及便利性原则。如应使用可靠的电驱动阀门，最大可能减小故障率；使用稳定并轻便的水泵，并注意隧道内各类电器的防潮和管路进水口的堵塞等问题。

1.3 风险减缓原则

悬浮隧道管体浮运、沉放施工主要风险及预防措施：

1）断面扭转。如悬浮隧道管段结构横向不对称（对于单孔隧道，由于排水沟、检修道仅设一边，较易产生横向不对称情况）而产生微小扭矩，应注意采取临时平衡扭矩措施，如小配重块平衡扭矩法、横向移动一次压载块平衡扭矩法、调载仓压载水平衡扭矩法及浮吊缆绳平衡扭矩法等。

2）“算不准”问题。悬浮隧道管段预制完成后，由于模板变形、施工误差、水密度变化、混凝土吸水等，设计计算干舷与实际干舷有偏差[7]，这是不可避免的“算不准”问题。对此，需采取措施以实现管段浮运、沉放全过程干舷可控，如一次压载适当储备些压载水、二次压载量不宜过小。实际施工过程中，可通过坞内试验解决“算不准”问题。

3）渗漏水风险。当采用分段预制整体安装悬浮隧道工法，悬浮隧道管段预制、接长的过程中，可能出现隧道管体遭遇撞击、端封门失效及接头漏水等风险，可采取诸如双道端封门等应对措施。

2 临时压载及管路系统方案构想与比较研究

悬浮隧道实验工程[6]采用分段预制整体安装悬浮隧道、管体整体安装方案，且在预制和下沉阶段分步加载，总体施工工艺见图1。

图1 悬浮隧道预制、浮运及临时压载沉放工艺流程Fig.1 SFT prefabrication,floating and temporarily ballasting,sinking and docking process flow

初拟了8个临时压载方案，分别是：预制混凝土水箱方案、装配式钢结构水箱方案、装配式钢结构水箱+外部水仓方案、外部水仓方案、混凝土块方案、蓄水池方案、混凝土块+蓄水池方案、混凝土块+调载仓方案；初拟了4个临时管路系统方案，分别是：同主分支穿仓式管路系统方案、同主同支穿仓式管路系统方案、分主分支穿仓式管路系统方案、同主同支挂壁式管路系统方案。限于篇幅，重点介绍经过多轮讨论推演比选后进入“短名单”的4个临时压载及管路系统组合方案。

2.1 自带重力预制混凝土水箱方案

基于沉管隧道装配式钢结构压载水箱，提出自带较大重力的混凝土水箱方案，好处是：1）混凝土可在现场批量预制；2）整体运输，免去管内拼装作业；3）混凝土水箱自重大，减少所需压载水量，可优化临时压载管路体系。

自带重力预制混凝土水箱临时压载及管路系统方案如图2所示，采用同主同支自然进水临时管路系统，即进水管和排水管采用相同的主管和支管。为避免进、排水时水泵失效带来的风险，必要时可使用双水泵方案（一个主泵，一个备用）。

图2 自带重力预制混凝土水箱临时压载及管路系统方案Fig.2 Temporary ballast and pipeline system scheme of self-contained gravity precast concrete water tank

2.2 混凝土块+调载水方案

管段浮运、转体前的一次压载采用预制混凝土块固体压载，管段下沉所需的二次压载水注入行车盖板以下的压载仓（图3）。此方案优点为：混凝土块预制模板简单；压载水重心较低，有利于稳定。

图3 混凝土块+压载水方案Fig.3 Scheme of concrete block+ballast water

为防止水晃荡纵向流动，压载仓内沿纵向每隔一定距离设置1道横隔板，该距离应与管段及管内构件预制模数相匹配。临时管路系统的支管路通过掀开行车盖板或在行车盖板穿孔下穿进入压载仓。

混凝土块在管外预制，由台车运输至管内，再通过小型龙门吊（图4（a））或台车上的升降千斤顶配合临时铺设枕木（图4（b））卸载。

图4 混凝土块运输工艺Fig.4 Transportation technology of concrete block

2.3 混凝土块+外部碎石袋压载方案

当二次压载所需压载量较小时，可考虑管外压载，如采用外挂碎石袋压载。如图5所示，一次压载仍采用预制混凝土块固体压载，悬浮隧道管段浮运、转体后，利用水上挂袋船+潜水员潜水作业的方式在隧道外部预埋挂钉上对称、均匀地外挂碎石袋进行二次压载。本方案优点为取消了隧道内部临时压载水管路系统，管内占用空间少。

图5 混凝土块+外部碎石袋压载方案Fig.5 Scheme of concrete block+external gavel bag ballast

2.4 无端封门沉放安装方案

当悬浮隧道断面较小且建设在风浪环境复杂的外海海域，需要设计较大的浮重比。如采用传统的临时压载方案，则需较多的延米压载量，经济性无法保证。对于小断面、大浮重比悬浮隧道，管段预制完成并浮运至预定安装位置后，可现场拆除端封门，管段因负浮力而下沉，并依靠浮吊吊力保持平衡（图6），管内外均无需设置额外的压载系统。采用本方案时，隧道内预制构件（包括路面板和预制水沟等）宜在隧道贯通后进行拼装。

图6 拆除端封门沉放安装方案Fig.6 Immersion and installation scheme of bulkheads removal

2.5 方案比选研究

上述4种推荐方案优缺点对比见表1，其中，工程量的计算原则是：一次压载量5 t/m，二次压载量前3个方案均为0.3 t/m，最后1个方案为18.1 t/m。

表1 推荐方案比选表Table 1 Comparison table of recommended schemes

不同浮重比、不同工法的悬浮隧道，适用不同的临时压载及管路系统方案：1）外海小断面、大浮重比悬浮隧道适用无端封门沉放安装方案，内陆湖小浮重比悬浮隧道适用压载方案；2）分节预制浮运、水下分节对接悬浮隧道可用沉管类似压载方案，分段预制整体安装悬浮隧道倾向于用固体压载；3）管内空间紧凑、二次压载量较少时可用管外压载。

3 相关计算

悬浮隧道临时压载及管路系统设计可能涉及的相关计算包括但不限于：1）干舷计算、抗倾覆稳定性计算；2）结构断面固存偏心扭矩影响分析；3）压载块纵向布设及其断面面积计算；4）钢结构压载水箱（如采用）构件强度及变形计算；5）混凝土水箱侧壁稳定性计算；6）浮吊数量及布设、最大二次压载量计算；7）临时管路系统功效和选型计算。

上述7项相关设计计算中，鉴于1~5项计算较常规，下面仅讨论第6、7项。

3.1 浮吊数量及布设、最大二次压载量计算

对于分段预制整体安装悬浮隧道，管段浮运就位后，在水上浮吊的控制下进行二次压载下沉，二次压载一般采用管内压载水，可视为沿隧道纵向均匀布置。下沉阶段应重点关注浮吊数量及布设、最大二次压载量。

实验工程中整体式安装悬浮隧道总长1 800 m，二次压载等效于竖向均布荷载，浮吊缆绳连接位置等效于竖向支座。下沉阶段，管体两端尚无约束，但为计算收敛，约束一端轴向。

分别采用3艘、4艘安装浮吊2种方案，浮吊布设见图7。计算表明，采用3艘浮吊，最大二次压载量约为0.1 t/m；采用4艘浮吊时，最大二次压载量约为0.3 t/m。均为挠度控制，管体内力远小于其承载力。

图7 浮吊布设示意图Fig.7 Floating cranes layout

可见，采用3艘浮吊时，可允许的最大二次压载量较小，容易出现过载；采用4艘安装浮吊时，隧道管体可承受的二次压载量约为3艘安装浮吊时的3倍，施工容错性较大，但浮吊数量的增多在施工设备投入上有所增加。

3.2 临时管路系统功效和选型计算

3.2.1 计算方法

根据2.1节推荐方案（即自带重力预制混凝土水箱方案）进行管路系统功效和设备选型分析，假定通过水泵主动控制进水，并以此确定主管、支管直径，以及水泵所需扬程（水头）。

如图8所示，假设仅在隧道一端设置水泵，总共n个混凝土水箱，沿隧道轴向按间距l均匀布置，理想状态下每个水箱支管的设计流量均为q，第i个支管前主管流量Qi，水头Hi，管线沿程水平，无高差。

图8 简化的临时压载水系统管路Fig.8 Simplified temporary ballast water system pipeline

根据以上方案布置，由连续性方程可知：

根据能量守恒，建立第i-1段到第i段主管末端的伯努利方程。第i-1个支管处局部水头损失为，第i段主管沿程水头损失为，则有：

式中：A为水管截面积；a为修正系数，取1.0；C为谢才系数，；D为主管直径；ξ1为主管分支处局部损失系数，暂取0.1（以沿程水头损失为主）。

联立方程（1）、（2）和管路系统方案，则可验算选择的管径和水泵扬程是否合理。

3.2.2 管径和水泵扬程

假设采用3艘浮吊，二次压载量为0.1 t/m，每条管路有n=90个混凝土水箱，每个水箱长度20 m。管路各水箱的压载水量为V=0.1伊20=2 m3。

如各水箱2 h内完成进水，则单个支管流量：

总流量：

将q和Q1带入方程（1）、（2）中，得到建议选择的水泵及主支管参数（总水头包括了水泵扬程和淹没水深）见表2。

表2 建议的悬浮隧道临时管路系统设施设备选型参数Table 2 Recommended selection parameters of facilities and equipment for SFT temporary pipeline system

由表2可知，若淹没水深为30 m，当采用100 mm主管直径时，水泵扬程仅需15 m；当采用150 mm主管直径时，自然进水即可满足要求。

总进水时间越短或管径越小，入口流速越大，水头损失越大，需要的水泵扬程越大，对管壁的压力越大。

考虑到进水的平衡，可以采用两端同时进水方案，即在推荐方案基础上，在另一端也安装水泵，隧道沉放时两端同时进水。即计算中取N=45个水箱，每个水箱长度20 m。

此外，经计算发现，管内二次压载时，管内压缩空气对支管出口水头的影响较小，且在选择水泵时可考虑一定富余扬程，因此空气压缩对计算结果影响可忽略。

4 结语

拆除端封门让水浸没隧道内部的压载方案，临时设施少、加水速度最快，较适用于外海小断面大浮重比悬浮隧道；比较而言，其它压载方案较适用于内陆湖小浮重比悬浮隧道：沉管类似压载方案较适用于分节预制浮运、水下分节对接悬浮隧道。分段预制整体安装悬浮隧道倾向于用固体压载。管内空间紧凑、二次压载量较少时可用管外压载。

分段预制整体安装悬浮隧道临时压载下沉阶段应重点关注浮吊数量及布设和最大二次压载量，下沉过程为挠度控制，管体内力远小于其承载力。

当采用水泵主动控制进水时，隧道内进水时间越短或管径越小，入口流速越大，则水头损失越大，需要的水泵扬程越大，对管壁的压力越大。可采用两端进水的方案减小管径。压载过程中管内空气压缩对临时管路系统计算影响较小，可忽略不计，因此不必额外设置排气孔。