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WTC2023丨 水中悬浮隧道,亟需从实验室走向工程实践(图)
作者:《中国公路》杂志社记者 张波 郭潇威 来源:中国公路网 时间:2023-06-26

导语:2018年,中国科协发布了我国面向未来的12个重点领域60个重大科学问题和工程技术难题,悬浮隧道工程技术研究位列其中。当前我国和世界对水中悬浮隧道的研究处于同一起步水平线。从交通大国向交通强国迈进,所谓“强国”更多的是体现科技引领能力——世界交通运输大会执委会主席、中国公路学会理事长翁孟勇认为,高质量的本质内涵就是科技,及其在社会经济发展中的贡献与作用。在WTC2023举办的“第二届水中悬浮隧道科技论坛”上,翁孟勇勉励与会科技工作者,我们应该在水中悬浮隧道研究方面的原创技术、理论创新和技术创新实现引领,这是真正向世界贡献中国智慧。

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21世纪最具竞争力的跨海交通结构形式

湾区是一种重要的滨海经济形态,是国际经济版图的突出亮点。比如国际知名的纽约湾区、旧金山湾区、东京湾区等,经济结构开放,资源配置能力高效,国际交往网络发达,具有引领创新、聚集辐射的核心功能,已成为带动全球经济发展的重要增长极和引领技术变革的领头羊。

我国大湾区经济时代已经来临,加快发展尤为重要。在湾区的建设中,便利、高效的交通是一个重要的前提和基础条件。湾区由海湾、港湾、邻近岛屿等共同组成,其特殊的地形地质条件和经济发展需求,对跨海交通的规划设计和建设提出了更高的要求。

湾区的跨海交通方式,当前主流的建设形式是桥梁和沉管隧道。同时,当前还有一种被世界交通业界学界广泛关注、研究的第三种交通结构形式——水中悬浮隧道(Submerged Floating Tunnel,SFT)。它的提出,为长深水域传统大跨度桥梁和隧道无法解决的难题,提供了新的解决思路。与一般的海底隧道不同,悬浮隧道不埋置在海床底下,而是通过锚固力平衡自身重力与浮力悬浮在水中的管状隧道。相较于桥梁和海底隧道,水中悬浮隧道都具有一定的优势。一是它不受跨度和水深的限制。当水深超过1公里或宽度超过5公里时,人类掌握的现有工程方案将很难跨越,而水中悬浮隧道可建在长跨度、水位深、陡峭的地方。二是水中悬浮隧道不受极端天气影响,对两岸地貌影响小。三是一旦技术成熟,它具有造价优势,单位长度的造价不随跨度的增加而增加。所以,水中悬浮隧道被公认为21世纪最具竞争力的跨海交通结构形式。

诸多技术难题需要攻克

水中悬浮隧道虽然早就有了设想,但目前还没有工程实践,因为它存在很多难题。本届论坛上,中外专家就当前水中悬浮隧道的科学研究和技术实践进行了交流探讨。

可以采取什么样的断面形式?水中悬浮隧道断面形式有圆形、椭圆形、菱形等,它们各有优点。公路隧道国家工程研究中心研究员、招商局重庆交通科研设计院有限公司隧道与地下工程研究院院长助理李科介绍,从断面水动力特性以及公铁两用悬浮隧道的空间利用率来看,椭圆断面形式更有优势。长安大学副教授罗刚等专家,对悬浮隧道水下外部爆炸进行了研究,针对圆形、椭圆形和方形断面的隧道进行了大量的试验和分析,得出的结论是圆形隧道抗爆炸能力最强,椭圆形次之,方形最差。天津大学教授徐万海及其团队,对悬浮隧道的灾变机理进行了研究。他们通过数值研究分析发现,在撞击荷载作用下,椭圆形截面管体位移最大,四边形截面管体位移最小,八角形塑性应变较小。

可以采取什么样的锚固形式?绍兴文理学院讲师杨赢介绍,根据锚固系统的不同,悬浮隧道的锚固形式大致有锚索、浮筒和墩柱式三种。其中除了墩柱式,另外两种都是柔性的形式。锚索对基础的要求相对简单一些,是目前研究的热点。而锚固基础形式也有很多种,包括重力锚、吸力锚、桩锚、板锚、法向承力锚、鱼雷锚等。交通运输部天津水运工程科学研究院助理研究员罗基伟介绍,他们团队对比了不同锚固基础的适用地质条件、承载力范围和破坏模式,以及经济性等相关因素,发现吸力锚具有优异的承载性能和适用性广等优点,可以用于深海和浅海。同时,吸力锚结构自重比较小,方便制作安装和运输,与传统的重力锚相比它的成本比较低廉,特别是在深水施工的情况下,吸力锚的成本可显著降低。

可以采取什么样的方式进行减振?悬浮隧道在运营过程中会受到波浪、水流等作用,可能发生共振现象,这对结构的安全非常不利。广西大学副教授巫志文及其团队,创新性地提出了基于刚桁架增强的双管或多管悬浮隧道方案,经水槽试验、数值模拟分析发现抑振效果良好。巫志文团队还从减少外激励荷载的角度,提出一种“上部浮箱+下部多孔介质”的组合抑振装置,它可以利用浮体的运动阻止波浪传播,并使波浪破碎,注水之后形成振动力学的阻尼器,下部多孔介质起到扰流作用,可对悬浮隧道起到较好的抑振作用。可不可以像桥梁减振那样安装TMD来减振?绍兴文理学院讲师杨赢进行了研究,认为TMD对移动简谐荷载作用下的悬浮隧道管体具有较好的减振效果,并建议安装分布式TMD以扩大减振范围。

应该如何开展设计工作?悬浮隧道还属于新生事物,世界上还没有真正建成一座悬浮隧道。如何开展悬浮隧道的设计工作?李科从结构形式、截面、锚索、锚固基础等方面开展了悬浮隧道的设计研究工作,并重点介绍了在接头这一关键结构方面的设计探索。李科介绍,悬浮隧道当前还缺乏系统的设计理论与体系,亟待突破。

对于当前的研究,国内很多高校和研究机构都在进行。浙江大学教授项贻强指出,随着研究的深入,他发现悬浮隧道结构理论的问题非常复杂。他认为,试验装备必须上台阶、上水平,同时还应加强国内、国际的合作,持续加快推进研究进展。徐万海认为,对于水中悬浮隧道这种面向未来的重大科学问题和工程技术难题,希望国家或者工程层面有一个顶层设计来统筹,引导大家做不同方向的研究,避免重复性研究。同时,他希望国内相关机构之间能建立共享数据、共享成果的平台,整体整合我国科技工作者的体量和水平,为后续研究提供有价值的基础支撑。徐万海同时建议,想要突破在理论和试验层面的难题,可以搭建模型试验平台或实物平台,使实验逐渐走向工程实践,进而进一步推动实验进步。

走向工程实践应从当下开始

世界进行水中悬浮隧道的研究已经有几十年时间了,我国的研究也有20余年。公路隧道国家工程研究中心主任、招商局重庆交通科研设计院有限公司隧道研究院院长丁浩表示,我国与国际研究处于同一起步阶段与水平线上。当前,最要紧的工作是要实现工程落地——本届论坛上,与会专家学者对水中悬浮隧道的发展,都认为有一个最为关心,且认为最为紧迫的问题,就是研究需要加快,工程实践应该尽早落地。公路隧道国家工程研究中心计划从易到难,先从建设一座人行的水中悬浮隧道开始探索,进而把理论探索逐渐推向工程化。大连理工大学教授任冰认为,应该结合海洋环境的实际,结合未来需求实际,加快把实验成果尽快落地,这对后期的研究和工程应用会更加有利。

建设水中悬浮隧道要考虑的关键问题,以及衡量该项工程技术的先进性在哪里?意大利那不勒斯费德里科二世大学副教授Beatrice Faggiano认为,安全是第一位的,第二是工业化,即智能化建造,第三是造价要合理,第四是要环保。

从已建成的项目可以挖掘、总结对未来工程的指导。徐万海认为,悬浮隧道特别是锚索悬浮隧道是一种海洋工程的结构物,很多技术都可以借鉴海工领域成熟的技术。我国深海能源钻探平台技术很成熟,有很多可以借鉴的地方。而悬浮隧道最大的问题是技术性、经济性、安全性和行车舒适性,多个体系怎么样有机结合在一起实现有机协调,是最重要的。

港珠澳大桥在建设过程中创新性地解决了很多世界性难题。港珠澳大桥建设功臣、中交公路规划设计院有限公司隧道与地下工程部经理吕勇刚谈到,从沉管到悬浮,最重要的是把悬浮变成工程的实践,可以从沉管的建设上挖掘一些悬浮隧道的理论及建设经验。在港珠澳大桥沉管隧道的研究过程当中,后期大量的研究焦点和重点集中在怎样实现协调上,比如刚度的协调,结构和基础互相之间怎样充分结合成为有机的整体,用最小的代价建造工程等。吕勇刚同时谈到,从工程建设的总体来看,不要等到所有的问题研究、解决了才推进这项工作,在总体安全可控的前提下,可以边实施、边研究、边解决,实践当中才能找到真正需要解决的问题。这为悬浮隧道后期的研究和建设提了一个醒,即注意协调,强调各种系统之间的协调作用,避免很多实验围绕单一因素开展。

【编辑: 任 燕】
【审核:余大鹏】
【终审:张波】

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