水下悬浮隧道的技术现状和未来展望

Marcel ‘t Hart,Arianna Minoretti,李 英

(1.隧道工程咨询公司(TEC),荷兰 阿默斯福特 3828 GZ; 2.挪威公共道路管理局技术开发部,挪威 特隆赫姆 7468)

0 引言

试想一下,若不用渡轮,该如何穿越一条又深又长的海峡呢?如果有一条隧道,深度未达到海底,只是悬浮在水面以下20～30 m,那将大大节省穿越时间。在这种稳定的浮力结构支持下,在很短的距离内就可达到一定深度且不影响水上的船舶航行。

水下悬浮隧道(submerged floating tunnel,SFT),又称水下悬浮管桥(submerged floating tunnel bridge,SFTB),该技术由来已久。水下悬浮隧道的概念在19世纪末就已经提出,但当时缺乏实现技术。20世纪80年代,石油天然气领域出现了张力腿平台技术,增加了实现这种结构的可能性。同时,在20世纪80年代,挪威的F.Selmer A/S公司利用这个概念建造了水下悬浮隧道的前身——挪威卡莫伊的水下悬浮矩形混凝土结构,用来保护并引导2条岸上的天然气管道。此后,世界各地的若干个水下通道工程也曾提出采用水下悬浮隧道,比如意大利的科莫湖(1984)、中国的千岛湖(2004)、挪威西海岸的深长峡湾(索格内峡湾,2012),但这些都没有真正建成。

由于对这种需将外海、海洋(海底)和沉管隧道几种要素进行组合的结构还缺乏信心,同时市场上还存在浮桥等替代品,导致水下悬浮隧道方案[1]迟迟未得到真正采用。

近年来,建筑物对环境的影响(包括噪声污染和景观破坏)越来越受到关注,为评估水下悬浮隧道提供了新的机会和可能性。

1 悬浮隧道的概念

悬浮隧道是一种位于水面以下一定深度的悬浮管桥,其结构形式是隧道,但实质上是桥梁,因此又称“水下悬浮管桥”。这种结构适用于短距离跨越(通常几百米)或增加中部支撑后的长距离跨越。

1.1 悬浮隧道的4种支撑形式

根据悬浮隧道的深度和环境特征(如具体的岩土类型和船舶交通情况),其中部支撑分为多种类型,而且还可以多种类型组合使用,结构设计非常灵活。总体而言,悬浮隧道的支撑可以分为4种:岸锚式、桥墩支撑式、浮筒固定式和锚索固定式,见图1和图2。

图1 不同支撑形式的水下悬浮隧道(A.W.Solerød-挪威国家公路局)

(a) 浮筒固定式

1.2 水下悬浮隧道安装及与岸上对接方式

水下悬浮隧道的安装及其与岸上的对接比较依赖于区域特征,具体案例如图3所示。水下悬浮隧道通过中间对接结构与岸上的岩石隧道对接,具体的对接细节在《挪威比约纳峡湾水下悬浮隧道可行性研究》(12149-OO-R-31)中已有说明。该案例将岩石隧道开挖延长到连接区域,并对连接区域隧道腔室进行扩挖,加固岩石隧道端头与连接区的封门,同时对连接区腔室进行填砂,防止外部岩体开挖时的冲击波;最后,将悬浮隧道岸上段通过外部缆索(图3中红色线)牵拉入扩大的连接区腔室内进行安装,再铺设压载层和混凝土;岸上段采用水中浮力塔作为临时施工操作井。

(a)

1.3 悬浮隧道不同支撑形式对比

悬浮隧道4种不同的支撑形式对比见表1。Østlid[2]和ITA-AITES[3]发布的指南中对不同类型的中间支撑进行了更详细地阐述,并讨论了水下悬浮隧道的适用条件。

表1 悬浮隧道4种支撑形式对比

1.4 不同跨海通道形式对比

水下悬浮隧道是介于桥梁和海底隧道之间的另一种选择,见图4。传统的沉管隧道设计在浅水中更有优势,如果通道水深很深,由于公路或轨道交通纵向线形最大坡度的限制,隧道将变得很长。这一论点也适用于TBM隧道(见图4海底隧道),为了完成深层穿越,需要考虑TBM隧道上方的覆盖层及隧道的纵向坡度。上述这2种隧道中的限制也是其他传统穿越解决方案要讨论解决的问题。对比沉管隧道和TBM隧道,沉管隧道只需要很薄的覆盖层,因此同一个位置穿越的沉管隧道比TBM隧道更短。另外,沉管隧道通常为矩形断面,空间利用率高,1个断面就可以容纳各种交通方式,尤其当用于跨河且交通容量较大的短通道时更有优势; 而TBM隧道通常为圆形断面,空间利用率相对较低,有时需要采用多个管道,就更不占优势。其次,TBM 始发及接收还需要开挖深基坑竖井。

图4 不同跨越形式示意图[2]

对于跨度约2 000 m的通道,可考虑采用大跨桥梁(目前悬索桥的最长主跨为2 023 m,土耳其恰纳卡莱大桥)。如果跨度增加,桥梁方案将不可行,因此需要考虑其他结构形式。此时,浮筒式或锚索式水下悬浮隧道就成为了一种选择。Østlid[2]对悬浮隧道何时具有竞争优势进行了研究。

显然,跨水结构是一种特定位置的结构,必须考虑其周边环境,以选择技术和经济上可行的最佳解决方案。

悬浮隧道主隧道结构有多种断面形式,例如:采用多管系统+横通道连通模式,在发生火灾时横通道可提供额外的安全保护,在发生事故时可操作性更强。水下悬浮隧道可以同时兼容多种交通形式,如铁路、机动车、行人和非机动车等。该结构可选择不同的技术方案,包括不同的几何形状、技术标准和系统,可根据具体需求进行调整。不同的方案及其组成形式会给特定环境下的结构可持续性带来不同影响。

2 指南(fib及ITA的标准)

为了帮助设计和施工人员将悬浮隧道结构真正作为现有跨越方式的一种可替代形式,近年来,国际学术学会已经发布了一些国际性的指南。

1)国际结构混凝土联合会(fib)在2020年发布了《水下悬浮管桥(SFTB)设计指南》[4](fib公告第96号),旨在为技术人员提供水下悬浮管桥设计方案指南。

2)国际隧道和地下空间协会(ITA)在2023年发布了《水下悬浮隧道(STF)业主指南》[3],旨在向基础设施业主说明,水下悬浮隧道相比传统隧道的适用性。

关于普通的桥梁和隧道,早在几十年前就已经有了相应的标准,而且工程实践也验证了这些标准的可行性。而关于水下悬浮隧道,目前缺少系统性标准,已有的标准,如欧洲规范和美国公路及交通工程师协会规范(AASHTO),涉及的并不全面。因此,需要结合使用结构、海上、海洋甚至防波堤等各个方面的设计规范,形成一套设计标准,覆盖悬浮隧道设计的方方面面,如荷载、抗力、灾害和目标可靠度。将各个方面的规范结合起来,可能会使设计偏于保守而不具经济性,或是存在不同的要求相互冲突,导致设计不可行。目前,挪威国家标准已率先将这种结构纳入国家桥梁手册(2020)。

3 悬浮隧道已有的研究和方案

自1886年英国海军建筑师Edward James Reed提出悬浮隧道这个想法后,一些关于这种结构的方案不断出现。目前已有的关于悬浮隧道或悬浮管桥的研究见表2。

表2 水下悬浮隧道/水下悬浮管桥已有研究

挪威比约纳峡湾穿越方案的可行性研究详细介绍了隧道管节接头连接系统,并对潜艇碰撞、船只碰撞浮筒、安装结构的海上操作等进行了分析。

在技术认证方面,随着离岸和油气领域的发展和经验积累,锚索系统连接等技术已经相当成熟,具有较高的可靠性。

如今,挪威有若干个穿越项目都提出了水下悬浮管桥方案,并将其与其他方案一起进行评估。

4 研究现状及新的挑战

水下悬浮隧道技术是一个研究热门,全球各地的研究机构、大学和私营企业已针对水下悬浮隧道的各方面开展了课题研究。本文作者也都是各自领域悬浮隧道研究小组的活跃分子。Minoretti参与了挪威公共道路管理局主导的挪威E39高速公路的开发建设;‘t Hart参加了由中交集团牵头的“中交悬浮隧道工程技术联合研究小组”,该小组专注于悬浮隧道的总体可行性研究及其在中国的应用,并得到了公共和私营公司的合作支持(如荷兰隧道工程咨询公司TEC以及荷兰代尔夫特理工大学)。以下着重介绍其中的一部分研究课题。

4.1 流体-结构相互作用

水下悬浮隧道的周围都是水,而水会对其结构产生静水荷载。此外,水的流动也会对结构产生荷载,水流、风浪以及涌浪都会影响结构。结构的响应在很大程度上取决于流体-结构相互作用。已针对这一课题开展了很多理论研究及实验室缩尺试验。断面形状[5]和结构的动态响应[6-7]是目前的研究热点。针对该主题的理论研究已发表在文献[4]悬浮隧道指南中,且悬浮隧道最新的可行性研究已提出要根据特定荷载优化结构的几何形状。

4.2 冲击

每种结构都会受到荷载的冲击,水下悬浮隧道也不例外。然而,除了作用在桥梁上的常规基础设施荷载外,其他荷载也会对悬浮隧道结构造成冲击,这些冲击主要来自于结构周围的水动力环境。因此,隧道抗震性能也是一大研究课题,水下悬浮隧道的抗震性能不仅会影响基础(锚索固定)的设计,也会影响结构与岸上的连接[8]。

由于隧道上方甚至下方均会有船舶和潜艇航行,因此可能出现船只冲击、拖锚或沉船等情况。例如:挪威比约纳峡湾穿越的概念设计中就涉及了潜艇冲击研究,因为该区域是挪威海军的训练区[9]。

其次,还需要考虑其他非常规冲击,例如:在北极区域的冰荷载(如挪威的峡湾)以及来自结构内外的爆炸荷载,Kristoffersen等[10]和Luo等[11]的研究课题就涉及了结构的内部爆炸荷载方面。

4.3 连接

水下悬浮隧道的连接包括管节之间的连接以及与两岸的连接。动态环境中的水下悬浮隧道和两岸受支承的陆地隧道(新奥法或钻孔法隧道)之间的连接存在设计挑战。对于悬浮隧道的连接,可采用沉管隧道的经验技术或对其优化后使用,但悬浮隧道的水密性与沉管隧道的又有所不同。在挪威提出的解决方案中,悬浮隧道管节是刚性连接的,需要多个步骤才能完成最终的连接。设计中常采用预紧和接头混凝土浇筑形成整体连接。这种特定连接的其他研究可参见文献[12]。

4.4 交通荷载

与其他基础设施结构一样,水下悬浮隧道也存在交通荷载,因此可以用普通桥梁设计所采用的交通荷载分布模型。水下悬浮隧道依赖浮力平衡,设计中考虑了荷载的特定组合。实际上,悬浮隧道可能利用浮力来平衡垂直荷载;但对荷载组合和系数的特殊考虑已包括在现有的规范中,如《挪威设计手册》。Torres等[13]研究了交通荷载在寿命周期内的不规则性。

4.5 其他

还有很多其他研究课题已经完成或正在进行。应对特定情况的具体研究和测试也已经开展,例如:部分结构(如浮筒或锚索)的损失可能会损害结构的完整性。鲁棒性一直是设计研究的关键点,必须证明即使发生整个结构损失的意外情况,结构也能够承受。考虑到概率分析中的不确定性,极小概率的极值分析与结构的目标可靠度有关。目前,与水下悬浮隧道可靠度相结合的新技术是研究的主题。

新材料的发展将为这种大型结构提供新的机遇。目前,基于在海上混凝土结构方面的长期经验,对这种结构,在挪威流行使用混凝土。在该国最近的详细研究中,如比约纳峡湾穿越方案,就介绍了悬浮隧道的建造方法、安装和海上作业,以证明其可行性。

5 未来的发展机遇

5.1 水下悬浮隧道的优点

相比水上跨越的形式,水下悬浮隧道方案极具竞争优势,因其在水面之下,能够减小主要的海洋荷载对结构的影响。且在水下穿越还有一个优势,即虽然与传统的岩石隧道或海底隧道一样,悬浮隧道需要和两岸的结构相连,但其可降低隧道本身与相连结构的纵向坡度,从而相应地缩短穿越距离。相比水上桥梁,水下穿越还能保护地形,减少对周围区域的噪声影响。

5.2 建议

要评价隧道结构对周围环境的具体影响,需要进行专门的分析研究,建议在设计阶段早期加以考虑。随着人们对环境问题的日益重视以及新材料、新技术给减少气候影响所带来的机遇,悬浮隧道这种巧妙的结构有望获得进一步的推广。

5.3 研究机构

全球有多个研究机构和大学都在研究悬浮隧道,国际隧道和地下空间协会(ITA)第11工作组(沉管隧道和悬浮隧道工作组)就有这些研究机构的代表。ITA出版的《水下悬浮隧道业主指南》就是多个不同机构共同合作研究的成果。在世界隧道大会(WTC)的年会上,协会成员们交流知识、想法和研究成果,进一步推进水下悬浮隧道技术的实现。目前,ITA第11工作组关于水下悬浮隧道的主要研究人员来自以下机构:挪威公共道路管理局的沿海高速公路E39项目、荷兰代尔夫特理工大学土木工程与地球科学系、意大利那不勒斯费德里科二世大学工程和建筑结构系、印度尼西亚泗水理工学院土木工程系、韩国科学技术研究院智能水下悬浮隧道系统研究中心、中国浙江大学悬浮隧道研究中心、韩国科学技术研究院、浙江大学和那不勒斯费德里科二世大学之间的三边国际网络、荷兰隧道工程咨询公司(TEC)等。