悬浮隧道——建造方法、新结构、行为机理试验及与工程师的对话

第1部分 悬浮隧道怎么建 　　1 学者与工程师的对话 　　三月的阿姆斯特丹，郁金香尚未开放。郁金香博物馆的对面开了一家土耳其咖啡馆，店名为“悬浮隧道”。馆主自小在家乡时就听说土耳其打算建造悬浮隧道，但*后不了了之，将不存在的事物起作店名会吸引更多旅客，这个策略至今都很成功。直到有一天，一位学者和一位工程师走进了咖啡馆。对话开始了。 　　工程师：我听说喝coffee会让人思维模糊，喝café反而清醒。 　　学者：两者有区别。很多研究者对悬浮隧道非常感兴趣。实际上已有500篇研究文献了。水动力、流固耦合、浮重比（BWR）、锚缆、锚固基础、运营监测及安全风险等，虽然研究广泛，但不得不承认，较分散。现有研究缺少系统性，也缺少对施工的描述。如果施工不可行，研究岂不只有学术价值，没有工程意义？ 　　工程师：施工方面可以做一些具体的工作。有一些施工方法可行性可以通过具有成熟经验的沉管隧道、石油平台或桥梁（包括浮桥）进行评估。作为工程师，我们担心问题的重点还是“悬浮隧道”的“悬”字。就让隧道这样悬着100年，这漫长的时间里面经过无数的人，真的放心吗？和沉管隧道不一样，沉管隧道至少有一面是着地的。但是悬浮隧道只在两头生根，结构安全性、人员安全性能否保障？尽管从好的方面看，悬浮隧道的特殊构造加大了它的吸引力，因为深水基础工作变简单了，也不用类似沉管隧道那样回填，不回填意味着没有土荷载，结构负担轻，经济性会更好。 　　学者：不能仅从经济角度谈论工程问题，人的安全也很重要。在荷兰，很多居民住在海平面之下，所以对防洪研究是量化的，量化的结果直接与个人死亡概率及集体死亡概率相关联。让人穿过悬浮隧道，就像是将人置于空中飞行的飞机中或水下的潜水艇中，旅客都是被危险的流体所包围。飞机外是低压，悬浮隧道外是高压，都是不适宜人生存的压力，确保生存唯一的条件就是包围着他们的柱状结构体。 　　工程师：我想了解过去的人们是怎样被劝上飞机的。记得国际隧道与地下空间协会（International Tunnelling Association，ITA）1997年报告说工程师研究悬浮隧道的任务之一是说服非工程专业的业主悬浮隧道是安全的（Ahrens，1997）。我的问题是，如何证明悬浮隧道在使用期间是安全的？ 　　学者：这个问题不够具体，你需要定义一个科学问题。 　　工程师：怎么定义？或者说，科学问题本身的定义是什么？ 　　学者：简单说就是填补知识空白。首先看一下哪些是已有的知识，在已有的知识中发现一个缝隙，再尝试创造新的知识把这个缝隙填上。 　　工程师：这么说很多工程问题都属于科学问题了。能否根据科学问题的普适度进一步分为工程科学问题和学术科学问题，或者不严谨地讲，是大众科学问题还是专业科学问题？对于悬浮隧道，工程师能直接运用专业知识，并投入一点时间来解决的问题可定义为大众科学问题。其他更复杂与困难的问题需要一个博士甚至几个博士研究才能解决。哲学说法就是把问题分成一般的和特殊的。 　　学者：可以的。 　　工程师：对于一般问题，我没必要打扰您，因为我们工程师自己能解决。我只和您讨论特殊问题。也就是至少需要一个博士研究才能解决的问题。 　　学者：比如说？ 　　工程师：让我尝试定义一个科学问题，悬浮隧道纵向结构动力行为是怎样的？事实上，我大胆猜测这可能是悬浮隧道唯一没有解决的科学问题。相比这个问题而言其他的问题几乎都是一般问题。按照沉管隧道的设计经验，尽管对象只有一个，为了便于分析，我们需要把问题分解成横向结构分析和纵向结构分析，也分解成动力分析和静力分析。这样二二得四，把问题分解成了四类分析问题（表1-1）。 　　表1-1 悬浮隧道结构分析问题 　　学者：我不认为能这么分解，但先听你讲完。 　　工程师：悬浮隧道横向结构静力分析和桥梁、沉管隧道没有区别，纵向结构静力分析相对较麻烦。例如，浮筒式悬浮隧道，水位的变动将可能导致岸边接头产生额外受力。挪威工程师提出了两种解决方法：一种是把岸边连接段的结构和接头做强，就是靠“抗”；另一种是监测潮位与海水密度，根据测量反馈在隧道内实时调节压舱水量。但是后者这种用变化应对变化的思路我们觉得通常难以接受。 　　学者：如果让隧道和浮筒之间连接段的长度可随着水位变化调节［图1-1（a）］，能否实现？ 　　工程师：好主意。但在水下维护可能不便，如果把调节设备放在浮筒内［图1-1（b）］，浮筒下部与竖向连接的止水需要解决，此外调节装备多少年一换，有些细节仍需评估。让我们回到刚才的议题。纵、横向结构静力问题，只要结构工程师花点工夫都好解决。剩下就是动力问题。一些论文说缓慢变化的水流力也对悬浮隧道的振动有影响，这算是动力问题吗？ 　　图1-1 伸缩装置适应水位变化构想 　　学者：动静是相对的。取决于结构的自振周期。 　　工程师：那么悬浮隧道横向结构的动力问题也并不复杂。因为横向结构没有柔性连接，而且横向结构为了抵抗水压或者为了提供足够的浮力，结构还是很粗壮的。也就意味着，横向结构自振频率特高，周期特短。作用于悬浮隧道横向结构的工况，大多数都属于静力工况，只有极其少数的工况被划定为动力工况，如落锚。我所指的横向结构是指管体，不包括浮筒或锚缆与其连接部位。后者看似是横向问题，实则是纵向问题。 　　工程师：请再忍耐我一会儿。根据上面的介绍，剩下的问题就只有纵向结构动力分析了。这个分析的结果能够将悬浮隧道的主要构件之间的内在联系显现出来，例如： 　　①岸边接头—接头刚度影响纵向结构振动形态与频率； 　　②中间接头—同上； 　　③锚固形式—同上，并兼顾人员逃生； 　　④锚固间距—同上，并兼顾冗余设计； 　　⑤横断面—断面抗弯刚度与隧道长度共同影响结构振动形态与频率。 　　所以悬浮隧道我首先想定义的科学问题是这个。 　　学者：你需要运用水动力学和结构动力学，来了解悬浮隧道结构的行为。水动力问题很多，如波浪、内波、涌浪、水流、涡激振动（以下简称涡振）、水密度变化、滑坡物引起的波浪、过往船舶的“吸力”效应、螺旋桨冲刷、船行波、潜水艇撞击。 　　工程师：还有海洋动物撞击。 　　学者：是。包括鲸鱼撞击，沉船、船撞也需要考虑。一般来说，悬浮隧道可以建造在船底标高以下。此外，发生沉船事故的概率本身就不大，刚好沉在隧道的正上方，概率更小。从另外一个角度看，如果隧道要用100年，把100年当作1天来看待，这个概率就显得不那么小了。 　　工程师：我需要画张图，表达纵向结构抵抗动力放大效应的可能策略。虽然我的言行与我的工程方案一样注重可持续发展，但我还是要用图才能解释清楚。 　　学者：好。 　　工程师：横轴是周期。水动力工况占据了各种区间的周期（图1-2）。这里只是概念，具体数值需要根据具体项目条件来调查。但是大概也就是这个意思了。 　　学者：嗯。 　　图1-2 悬浮隧道纵向结构抵抗动力放大效应的设计策略想象 　　工程师：关键是我们应当使用怎样的策略来设计结构的纵向动力？就我当前有限的知识，我不敢冒险把纵向结构的自振周期放在两个不振动的“甜点”之间，为什么？因为细长的悬浮隧道结构有许多自振周期，围绕着结构的水对悬浮隧道自振周期有影响，在空气中相对不担心，因为空气的密度只有约1.2kg/m3，而水的密度是1000kg/m3。另外，悬浮隧道线形的不确定性或改变也可能引起自振周期的变动。这样结构自振就容易撞见某个水动力的载荷的高能量区，引起共振。所以，我倾向把悬浮隧道结构的自振周期放在两个极端，要么就刚，要么就柔。 　　学者：我也是这么想的。如果结构很柔，意味着悬浮隧道平时晃动的幅度很大，在接头部位不断大幅度运动的情况下如何保障止水？这个问题值得研究。另外就是晃动对交通安全的影响，我们也许可以调查已有浮桥的经验。如果结构很刚，则问题不大。就像已建成的水下的墩台式隧道一样。 　　工程师：已有研究总结了世界上存在的25种风险量化方法（Bas et al.，2002）。也许我们可以从中选取*适宜的1～2种，将结构行为的结果作为风险模型的输入条件。 　　学者：研究概率需要考虑连动问题。就是一个风险概率的变化可能导致另一个风险概率的变化，即贝叶斯概率。概率本身其实也值得进行很多的研究。但是作为起步，你可以用上限分析法的简单概率模型，比如，选择一个以结构安全为中心的概率模型，再选择一个以人的生命为中心的概率模型，看看结果会是怎样。对于你的纵向模型而言，也许你也可以从简单的解析解起步，看看趋势，再去建立更复杂的数学模型。