林巍，尹海卿，劉凌鋒，鄒威，田英輝，劉亞平，林鳴

（1.中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組，廣東 珠海 519015；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；4.天津大學(xué)，天津 300072；5.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；6.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

0 引言

當(dāng)今世界，溫室效應(yīng)引起海平面加速上升，極端天氣頻現(xiàn)，人口數(shù)量再過二三十年預(yù)測(cè)將達(dá)百億。面臨的挑戰(zhàn)有糧食、可居住的土地，以及綠色清潔能源的生產(chǎn)與運(yùn)輸。

為解決上述問題，海上風(fēng)電、漂浮光電等離岸新能源已大規(guī)模發(fā)展，漂浮農(nóng)場(chǎng)和海上牧場(chǎng)等已有實(shí)施，漂浮城市和漂浮島嶼等人類與水共存的新生活方式已成為嚴(yán)肅的研究課題。懸浮隧道作為漂浮結(jié)構(gòu)與其自身和大陸之間的交通和物資運(yùn)輸紐帶，其真正意義上的實(shí)現(xiàn)刻不容緩。盡管以往已有大量研究，但對(duì)實(shí)驗(yàn)工程及實(shí)現(xiàn)方法（施工建造）的描述仍是空白。

1 介紹

1.1 已有概念與技術(shù)現(xiàn)狀

懸浮隧道概念的提出是在近兩世紀(jì)前或更早[1]。文獻(xiàn)記載的有1860年S.Preault的博斯普魯斯水下鐵路方案[2]、1976年P(guān)er Hall的方案[2]、1886年Reed James與1924年Olsen Dale的概念方案[1]、1940年Andrew Charles提出的美國(guó)西雅圖普吉灣懸浮隧道初步設(shè)計(jì)[3]、1969年Alan Grant提出的墨西拿海峽方案[3-4]以及1984—1996年先后提出的另外3個(gè)方案[4]、1985—1994年有資質(zhì)的承包商提出的4個(gè)挪威赫格海峽方案[1，4]、1995年日本出版的內(nèi)埔灣懸浮隧道概念設(shè)計(jì)[4]，以及2000年之后中-意聯(lián)合體金塘海峽方案和千島湖懸浮隧道原型方案[2]。

盡管自1872年甚至更早就有懸浮隧道的發(fā)明專利[5]和論文[2，4，6-7]，這些文獻(xiàn)對(duì)懸浮隧道的實(shí)現(xiàn)方法提出了一些有趣的想法，但仍然是只言片語(yǔ)、輔以一兩張插圖。直到近幾年，挪威公路局公開了E39公路上的峽灣通道的設(shè)計(jì)報(bào)告，給出了較詳細(xì)的浮筒懸浮隧道的建造方法[8-9]。即便如此，以上全部加起來，仍需要想象力才可能形成完整的實(shí)施畫面。而且，錨纜懸浮隧道的具體實(shí)現(xiàn)方法幾乎仍然是空白。

錨纜懸浮隧道技術(shù)儲(chǔ)備現(xiàn)狀表明，離岸巖土工程經(jīng)由深海油氣而發(fā)展，已具有相當(dāng)豐富的工程經(jīng)驗(yàn)與規(guī)范指南和科技成果[10]。整體浮運(yùn)安裝可行性已通過挪威Bergs?ysundet和Nordhordland兩座浮橋的建造得以檢驗(yàn)，兩座橋分別于1992年和1994年通車，后者長(zhǎng)達(dá)1 256 m[11]。水下連接與定位已在沉管工程通過多種方式實(shí)現(xiàn)[12-13]。以上成功案例對(duì)懸浮隧道實(shí)驗(yàn)工程的實(shí)現(xiàn)是鼓舞人心的，對(duì)建造方法也提供了很好的啟示。

在全局水池物理模型試驗(yàn)方面，挪威大約于20世紀(jì)90年代已開展過試驗(yàn)。中交懸浮隧道工程技術(shù)聯(lián)合研究組2018—2019年開展了1∶50、模型水深2 m、管體有效長(zhǎng)度24 m的錨纜懸浮隧道物理模型水池試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)的搭建就像建造一個(gè)“迷你工程”，經(jīng)歷了水中纜力調(diào)節(jié)、姿態(tài)精確監(jiān)控、數(shù)據(jù)物理同步等一系列難題。

1.2 懸浮隧道競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

文獻(xiàn)[1，4]認(rèn)為錨纜懸浮隧道長(zhǎng)度不受限，且文獻(xiàn)[4]估算當(dāng)跨越水域?qū)挾瘸^1 km以后，懸索橋的單位造價(jià)將大幅提升，懸浮隧道的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將顯現(xiàn)。

文獻(xiàn)[15]比較了已建跨海通道和已有懸浮隧道的概念提案，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水深超過80～100 m，且長(zhǎng)度超過千米時(shí)，除了日本青函隧道，其它可行性方案均為懸浮隧道提案。

文獻(xiàn)[4]認(rèn)為懸浮隧道水深不受限。但文獻(xiàn)[16]報(bào)告了4 200 m長(zhǎng)、450 m深的Hareid-Sula通道近30%的費(fèi)用都用于基礎(chǔ)上。

1.3 實(shí)驗(yàn)工程選址原則

根據(jù)以上文獻(xiàn)分析，確定實(shí)驗(yàn)工程選址原則：1）水深100～200 m左右，若再淺沉管或盾構(gòu)隧道工法更具備競(jìng)爭(zhēng)力，若再深基礎(chǔ)的投入過大。2）長(zhǎng)度1～2 km，與索橋相比較具有競(jìng)爭(zhēng)力，且具備水彈性觀測(cè)意義。3）由于較大波浪影響所帶來的懸浮隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的不確定性，確定實(shí)驗(yàn)工程（也將是世界首條錨纜懸浮隧道）在風(fēng)平浪靜、水位變化小、弱水動(dòng)力環(huán)境的內(nèi)陸湖建造。

文獻(xiàn)[4]列舉了世界各地適宜建造懸浮隧道的場(chǎng)所。我國(guó)內(nèi)陸湖[17]也有大量適宜地點(diǎn)。

2 建造方法與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體描述

考慮實(shí)驗(yàn)規(guī)模，斷面按單車道設(shè)置（圖1（a）），外徑7.7 m。為確保安全，墻壁采用鋼殼和鋼筋混凝土的復(fù)合結(jié)構(gòu)，壁厚（0.04+0.51）m。

完工后，隧道一般段的延米重量約42 t/m，浮力47 t/m。也即具有47-42=5 t/m的凈浮力（RB），浮重比（BWR）47/42=1.12。

懸浮隧道由懸浮的管體（主結(jié)構(gòu)）、岸邊的沉井以及錨泊系統(tǒng)構(gòu)成。錨泊系統(tǒng)由水底的混凝土“沉船”、連接沉船和管體的豎向錨纜、錨纜上端的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)構(gòu)造，以及錨纜下端的快速錨定與更換構(gòu)造組成（圖1（b））。

圖1 方案總體描述Fig.1 General description of the scheme

我國(guó)某內(nèi)陸湖水深最深處達(dá)170 m，斷面寬度較窄處約1 700 m，考慮兩頭錨固嵌入長(zhǎng)度各20 m，管體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)暫定為1 740 m。

錨纜懸浮隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)為正浮力，對(duì)自身的重量控制要求高，否則就會(huì)沉沒，而傳統(tǒng)橋隧工程在運(yùn)營(yíng)期通常不存在這方面的顧慮。通過3個(gè)措施滿足：1）管體漂浮階段通過干舷測(cè)量和調(diào)節(jié)確保重量精確控制；2）路面下方留有2 m3/m的調(diào)載空間，預(yù)制時(shí)預(yù)先加入1 t/m的壓載水。在運(yùn)營(yíng)階段，根據(jù)管體實(shí)際重量的增加（因海生物附著、結(jié)構(gòu)吸水、隧道內(nèi)灰塵累積等）或減少（因路面磨損、斷面擴(kuò)大引起的浮力增加等）進(jìn)行相應(yīng)的卸載或加載；3）豎向線形采用單向坡，而非水底隧道常見的V形坡或W形坡，以避免隧道懸浮段內(nèi)的積水而導(dǎo)致的重量變化，隧道兩頭設(shè)置集水坑，確保洞口外的水不進(jìn)入隧道。

淹沒水深，也即管體外緣到水面的豎向凈距離，考慮以下因素：1）歷史極端低水位，確保隧道不失去浮力；2）施工期和運(yùn)營(yíng)期水上活動(dòng)不受影響；3）管體所處深度水動(dòng)力作用弱；4）與兩岸沉井施工的地貌和地質(zhì)相匹配，盡量減少填挖方量。

實(shí)驗(yàn)工程的主要建設(shè)步驟為：

1）管體整體預(yù)制與浮態(tài)寄存。

2）兩岸沉井施工與對(duì)接準(zhǔn)備。

3）沉船預(yù)制、浮運(yùn)、沉放與加載。

以上3項(xiàng)工作可同步開展。全部完成后，進(jìn)行管體安裝。

4）管體牽引、下沉，并與沉井連接。

5）管體與沉船連接和重量轉(zhuǎn)換。

以下對(duì)主要建設(shè)步驟展開討論。

2.2 整體預(yù)制與漂浮寄存

基坑內(nèi)流水線作業(yè)從左往右進(jìn)行，工作流程是：1）在干塢區(qū)進(jìn)行新預(yù)制段的鋼殼、鋼筋、內(nèi)模與尾部端模的組裝；2）完成后，智能臺(tái)車將其向前運(yùn)輸，通過內(nèi)側(cè)塢門，并與前一個(gè)完成的預(yù)制段首尾連接，在干環(huán)境下形成整體，實(shí)現(xiàn)方法為：縱向鋼筋通過機(jī)械接頭連接，外鋼殼通過焊接連接，以前個(gè)預(yù)制段的尾端作為端模澆筑新預(yù)制段的混凝土；3）新預(yù)制段安裝尾端臨時(shí)端封門；4）內(nèi)側(cè)塢門關(guān)閉，外側(cè)塢門打開，水灌入干濕交替區(qū)，智能臺(tái)車（類似深中通道沉管鋼殼運(yùn)輸臺(tái)車）配合下降，新預(yù)制段與臺(tái)車脫開并得以起浮；5）整體向前絞移一個(gè)預(yù)制段的長(zhǎng)度（通常25 m），關(guān)閉外側(cè)塢門（也即外側(cè)塢門夾著新預(yù)制段的尾部，如圖2）；6）干濕交替區(qū)排水，新預(yù)制段尾端臨時(shí)封門打開，內(nèi)側(cè)塢門也打開，進(jìn)而允許上述第2步的平行作業(yè)；7）測(cè)量干舷高度，通過預(yù)制素混凝土塊壓載將漂浮段的平均干舷高度降低至0（隨遇平衡狀態(tài)）或10 cm。預(yù)制與系泊（漂浮寄存）總體布置見圖3。

圖2 外側(cè)塢門結(jié)構(gòu)（包括其夾固的管體）Fig.2 External dockgate structure(incl.the tube clamped)

圖3 管體整體預(yù)制與漂浮寄存總平布置Fig.3 Overall layout of tube prefabrication and floating storage

重復(fù)以上步驟70次，可完成1 740 m長(zhǎng)的管體的整體預(yù)制和系泊（由68個(gè)25 m預(yù)制段和2個(gè)20 m預(yù)制段組成）。

為避免管體系泊對(duì)湖面交通產(chǎn)生較大的影響，圖3的基坑與岸邊呈夾角建設(shè)。

內(nèi)側(cè)塢門可采用常見的泄洪閘門。外側(cè)塢門見圖2。由門框（門檻）和上、下半幅和預(yù)制段組成。上半幅通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)塢門的開合與關(guān)閉。下半幅設(shè)計(jì)成自浮以適應(yīng)潮漲潮落：與漂浮管體一道上下運(yùn)動(dòng)。上、下半幅與門框和管體及自身之間均設(shè)置臨時(shí)橡膠止水帶。這些止水帶能適應(yīng)較大的變形并確保施工期臨時(shí)止水（例如港珠澳島隧工程使用的M止水帶[18]）。

2.3 沉井岸邊接頭

挪威峽灣兩岸是巖質(zhì)地層。岸邊接頭的準(zhǔn)備方法是通過從岸邊往水中開挖、預(yù)留最后一塊圓弧狀石門。在管體安裝前，將該石門向內(nèi)爆破，破碎的石塊落入預(yù)先準(zhǔn)備的采集坑內(nèi)[7]。然而在更一般的環(huán)境下，例如軟土地層的岸邊準(zhǔn)備工作的問題等，本文提出采用沉井法。

沉井可在岸邊的陸上施工亦可在水中施工，取決于地貌。沉井用于懸浮隧道岸邊連接的要點(diǎn)是：1）井壁在對(duì)接側(cè)預(yù)先開洞并安裝臨時(shí)封門。由此帶來的下沉重量偏心問題通過另一側(cè)井壁厚度修正；臨時(shí)封門在水下通過潛水員配合拆除。2）管體插入前，清除插入通道上的淤泥（圖4（a））；到了運(yùn)營(yíng)期，管體與沉井連接部位隨著時(shí)間發(fā)生淤積是允許的，可帶來額外安全儲(chǔ)備（圖4（b））。3）沉井封底后，必要時(shí)在沉井下方施工樁基礎(chǔ)，確保沉井與岸邊的錨固可靠。4）沉井幾何尺寸根據(jù)地質(zhì)條件、錨固需求、管體安裝所需的平面扇形空間（見2.5節(jié)）綜合確定。

圖4 沉井Fig.4 Open caisson

2.4 混凝土沉船與定長(zhǎng)錨纜

管體運(yùn)營(yíng)時(shí)凈浮力5 t/m，對(duì)于1 740 m懸浮段，每隔150 m設(shè)置1處錨固斷面以平衡浮力，共需設(shè)置11個(gè)。每處斷面通過4根垂向錨纜連接至湖底的混凝土沉船。參考圖1（b）。

為了拉住管體，若按1.5倍安全系數(shù)，沉船在水下的浮重量需要不少于150×5×1.5=1 125 t。由此得到沉船平面尺寸16 m×12 m、高5.5 m。

11個(gè)混凝土沉船依次在岸邊澆筑，干重量870 t，下水后干舷約1 m，浮運(yùn)至隧道軸線上，再由臨時(shí)安裝浮體吊放、下沉至水底，此時(shí)沉船浮重量（負(fù)浮力）530 t，最終重量通過漂浮平臺(tái)及導(dǎo)管往沉船內(nèi)（分倉(cāng)）澆筑壓載混凝土來實(shí)現(xiàn)。

為預(yù)防運(yùn)營(yíng)期沉船滑移或發(fā)生地基傾覆，沉船底部設(shè)置裙邊[10]。

沉船上連接4根錨纜分擔(dān)750 t凈浮力，允許1根纜更換或意外破斷時(shí)另外3根可自持。選用公稱直徑112 mm、橫截面面積8 910 mm2、1570級(jí)鋼絲繩[19]，單根錨纜破斷力11 500 kN，約等于其均攤凈浮力的6.2倍。

以上工作及管體安裝工作（見2.5節(jié)）完成后，測(cè)量管體錨點(diǎn)與沉船錨點(diǎn)之間的相對(duì)距離，確定每根錨纜的制造長(zhǎng)度，并精確制造。

2.5 整體安裝

預(yù)制完成的管體與3艘臨時(shí)安裝浮體通過豎向纜索連接（類似沉管隧道的沉放作業(yè)），管體絞移至隧道軸線附近，通過管內(nèi)的壓載水消除10 cm的干舷并產(chǎn)生平均0.1 t/m的微負(fù)浮力。然后通過安裝浮體放纜，實(shí)現(xiàn)管體逐步下沉。

安裝階段，為了最小化結(jié)構(gòu)變形，3艘安裝浮體設(shè)置在管體長(zhǎng)度1/6、1/2、5/6的位置；帶纜階段（2.6～2.7節(jié)），為了兼顧最小化管體內(nèi)力，安裝浮體位置最終選在了第2、6、10艘沉船的正上方。下沉階段的計(jì)算結(jié)果表明管體兩頭撓度不超過0.5 m，管體中間段撓度不超過0.05 m，管體內(nèi)力均較小，不控制結(jié)構(gòu)方案。

下一步作業(yè)是管體兩頭插入岸邊的沉井。由于管體兩頭有額外的嵌固段，意味著管體平面投影長(zhǎng)度大于兩岸的凈距，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)水下對(duì)接的問題，文獻(xiàn)[7]提出的巧妙解決方法是：首先在細(xì)長(zhǎng)管體的中部加載，管體受力變形、平面投影長(zhǎng)度縮短，安裝時(shí)再卸載，管體恢復(fù)原來形狀的同時(shí)兩頭就插入了岸邊的隧洞。

考慮降低水下對(duì)接的難度，本文給出另一種解決方案：管體兩頭先后插入岸邊的沉井。首先，令管體與其最終位置軸線呈15°平面夾角，一端的頭部對(duì)準(zhǔn)岸邊沉井的預(yù)留孔洞（此時(shí)沉井的臨時(shí)封門已拆除），這時(shí)管體在其最終位置豎面的投影長(zhǎng)度縮短了1 740×（1-cos 15）=60 m，所以是可行的。接著，管體向前絞移，一頭插入沉井內(nèi)45 m，再以插入點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸，平面反方向旋轉(zhuǎn)15°，此時(shí)管體另一頭與岸邊仍有5 m凈距。最后，將管體反方向絞移（后退）25 m。這時(shí)管體兩頭均插入沉井，且插入深度均為20 m。

通過井壁與管體外緣接觸部位設(shè)置的環(huán)向注漿止水囊袋（日本沉管V-Block施工已有先例[13]），實(shí)現(xiàn)沉井內(nèi)部的臨時(shí)止水。井內(nèi)排水后，現(xiàn)澆混凝土，實(shí)現(xiàn)管體與沉井的永久連接與止水。

2.6 快速連接與長(zhǎng)度調(diào)節(jié)

水中的管體（淹沒水深20～30 m）與水底11艘沉船（最深170 m）通過44根豎向錨纜連接。

首先連接錨纜的下端與湖底的沉船。圖5為一種快速連接設(shè)想，可結(jié)合水下機(jī)器人操作實(shí)現(xiàn)。沉船上相應(yīng)設(shè)置鋼箱預(yù)埋件作為錨點(diǎn)。施工容差與運(yùn)營(yíng)期錯(cuò)動(dòng)適應(yīng)能力通過球面構(gòu)造實(shí)現(xiàn)。該操作也可逆向執(zhí)行，用于運(yùn)營(yíng)期更換錨纜。

圖5 錨纜快速連接工序Fig.5 Rapid connection procedure of anchor cable

然后，連接錨纜的上端與管體的錨點(diǎn)，并進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)節(jié)（張緊）。通過水下液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)，作業(yè)原理見圖6。當(dāng)需要調(diào)節(jié)的長(zhǎng)度超過千斤頂行程時(shí)，就多次重復(fù)圖6（b）的步驟。

圖6 錨纜長(zhǎng)度調(diào)節(jié)（張緊）原理Fig.6 Length adjustment(tensioning)mechanism of anchor cable

2.7 壓載、卸載與體系轉(zhuǎn)換

由于錨纜式懸浮隧道需要較大的浮重比來確保運(yùn)營(yíng)期錨纜不發(fā)生松弛與彈振，懸浮隧道施工階段的壓載重量需求遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的沉管隧道，采用壓載水的方式不再適宜。因此實(shí)驗(yàn)工程提出往管內(nèi)運(yùn)輸混凝土塊，并結(jié)合路面下進(jìn)水的組合壓載方式（圖7）。前者負(fù)責(zé)預(yù)制階段將漂浮狀態(tài)管體干舷盡可能降低，后者負(fù)責(zé)沉放階段將管體調(diào)整成0.1 t/m負(fù)浮力狀態(tài)。

圖7 固液組合壓載系統(tǒng)示意Fig.7 Solid-water ballast system sketch

素混凝土塊通過軌道或臺(tái)車在管體預(yù)制時(shí)從基坑側(cè)運(yùn)入漂浮的管內(nèi)（每個(gè)預(yù)制段平均放置4個(gè)26 t的混凝土塊）。管體插入沉井、其端封門打開后，再將混凝土塊從一端運(yùn)出，并同步抽出路面下方多余的壓載水。進(jìn)而將管體0.1 t/m負(fù)浮力從一頭到另一頭逐步轉(zhuǎn)變?yōu)? t/m的正浮力。

為控制隧道線形和受力，以上卸載工作需要與第2.6節(jié)描述的錨纜連接與張緊工作交替進(jìn)行，全部完成后，3艘安裝浮體可撤離，見圖8。該過程可稱為管體的體系轉(zhuǎn)換。圖9是管體安裝及體系轉(zhuǎn)換不同階段的豎向撓度計(jì)算結(jié)果。采用該方法，管體豎面線形最終將趨向理想狀態(tài)，纜力實(shí)現(xiàn)較均勻的分布。彎矩和內(nèi)力結(jié)果表明全過程管體斷面彎矩或剪力的最大值均不超過其結(jié)構(gòu)承載力的20%。

圖8 管體體系轉(zhuǎn)換Fig.8 Tube system transform

圖9 不同安裝階段管體沿程豎向撓度結(jié)果Fig.9 Tube vertical deflection results at different installation stages

2.8 去大型設(shè)施、小型可陸運(yùn)裝配化綠色施工

將小型鋼浮箱（外輪廓尺寸諸如2.5 m×3 m×4 m）陸運(yùn)至水邊，卡車卸貨入水，在湖面上拼接成臨時(shí)漂浮施工設(shè)施，包括：沉船用安裝船（由64個(gè)鋼浮箱組成）、水下導(dǎo)管混凝土澆筑平臺(tái)（30個(gè)）、管體用安裝船（3×16=48個(gè)）以及錨纜安裝、水下機(jī)器人和潛水員作業(yè)等漂浮平臺(tái)。前兩者使用后可拆除、重新拼裝可用于后續(xù)漂浮平臺(tái)周轉(zhuǎn)使用。

2.9 主要工程量與工期估算

主要工程量統(tǒng)計(jì)見表1。建造計(jì)劃估算結(jié)合前文和沉管工程經(jīng)驗(yàn)[20]見圖10。

表1 單車道1.75 km懸浮隧道主要工程量Table 1 Main quantities of single tube 1.75 km SFT

圖10 實(shí)驗(yàn)工程主體結(jié)構(gòu)施工計(jì)劃與時(shí)間估計(jì)Fig.10 Experimental project main structure construction schedule and time estimation

3 “安全體驗(yàn)”與基本計(jì)算

作為實(shí)驗(yàn)工程及首個(gè)錨纜懸浮隧道，確保使用者的安全體驗(yàn)，或稱為結(jié)構(gòu)的本質(zhì)安全，十分必要。

1）在撞擊、沖擊等意外發(fā)生時(shí)，鋼殼和混凝土能獨(dú)立承載和防水。也即，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)受損時(shí)，外層鋼殼結(jié)構(gòu)能夠確保管體的整體性和不漏水，允許修復(fù)的時(shí)間。反之亦然。

2）隧道豎面線形設(shè)計(jì)成單向坡，確保水不在隧道內(nèi)累積，隧道永不沉沒。

3）允許同側(cè)或左右一對(duì)錨纜失效。

4）盡管實(shí)際不允許發(fā)生，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)仍需滿足結(jié)構(gòu)體系能允許較大的施工容差和錨點(diǎn)變位。

3.1 計(jì)算假設(shè)與參數(shù)取值

采用有限元程序、擬靜力計(jì)算方法。

模型參數(shù)。管體長(zhǎng)度取1 800 m；簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?；斷面抗彎剛度EI=3.96×1012Pa·m4；管體水下延米質(zhì)量為86.08 t/m（已考慮附加水質(zhì)量，下同）；錨纜材料彈性模量E=85×109Pa，水下百米質(zhì)量17.82 t；錨纜與管體的連接通過無質(zhì)量的剛臂模擬。管體兩頭假定固結(jié)。

主要荷載工況與作用。1）施工工況：①管體繞其一頭旋轉(zhuǎn)，牽引速度0.3 m/s對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度0.01（°）/s；②管體下沉；③體系轉(zhuǎn)化。后兩者上文已討論。體系轉(zhuǎn)化的最后一步為運(yùn)營(yíng)初始工況，也即5 t/m向上的凈浮力與向下的錨纜初張力的平衡狀態(tài)。2）運(yùn)營(yíng)期特征水流荷載，參考文獻(xiàn)[8]的3種形式：①均勻滿布；②均勻布于管體中部的1/2；③均勻往返布置各1/2。流速取0.39 m/s。3）15℃升溫或降溫。4）錨纜失效或錨點(diǎn)變位：?jiǎn)蝹€(gè)沉船橫、縱向偏差10 m，豎向0.5 m，或沉船橫、縱、豎向發(fā)生系統(tǒng)偏差H/100，H為水深。并與水流、地震、車輛荷載等運(yùn)營(yíng)期不利工況進(jìn)行組合驗(yàn)算。5）7度地震，基本動(dòng)加速度峰值0.1g、反應(yīng)譜特征周期0.45 s，暫忽略湖震的可能。6）車輛荷載沿隧道縱向1 t/m。

3.2 主要結(jié)果

3.2.1 自振特征

管體預(yù)制期間，經(jīng)歷了從短到長(zhǎng)、從半漂浮的剛體到漂浮的細(xì)長(zhǎng)桿的過程，管體漂浮在水面上的“支撐剛度”由其水面線面積決定，立（豎）面一階自振周期從0逐漸增大至12.23 s。下沉階段，立面一階自振周期53.49 s，與岸邊固結(jié)后，減小至25.04 s，體系轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)一步減小至5.23 s。管體的平面一階自振周期為145.17 s。

3.2.2 最大響應(yīng)與組成

按照上文所述斷面和墻壁構(gòu)造，考慮材料折減系數(shù)后的管體結(jié)構(gòu)抗彎承載力為12.2×105kN·m，抗剪承載力為2.1×104kN。

為研究結(jié)構(gòu)體系的“安全體驗(yàn)”和各項(xiàng)不利作用的貢獻(xiàn)比例，將水平響應(yīng)、豎向響應(yīng)、扭轉(zhuǎn)，以及軸向效應(yīng)分開觀察。

1）管體平面最大響應(yīng)：由均勻滿布水流（帶1.155荷載分項(xiàng)系數(shù)，簡(jiǎn)寫為“×1.155”）、地震水平作用（×0.8），以及水平定位系統(tǒng)偏差與豎向定位系統(tǒng)偏差的組合（×1）組成。此時(shí)管體中部撓度超過7 m，接近L/250的極限，L為管體長(zhǎng)度。撓度最大值及構(gòu)成見圖11。該工況的最大剪力使用到斷面能力的13%，彎矩用到30%。

圖11 平面最大撓度及貢獻(xiàn)組成Fig.11 Maximum deflection in plane and its constitutions

2）上拱的管體立面的最大響應(yīng)：由初始狀態(tài)（×1.1）、豎向定位系統(tǒng)偏差（×1）、管體頭部左右一對(duì)錨纜破斷（×0.8），以及地震豎向作用（×0.8）組成。此時(shí)斷面最大彎矩用到其抗彎承載力的31%（圖12）、剪力用到30%、撓度最大為1.8 m。

3）下?lián)系墓荏w立面的最大響應(yīng)：由初始狀態(tài)（×1.1）、車輛荷載與附加重量（×1.155）、管體端部豎向定位偏差（×1），以及地震豎向作用（×0.8）組成。此時(shí)管體剪力用到35%（圖13）、彎矩用到27%、撓度最大為1.7 m。

圖12 立面最大彎矩及貢獻(xiàn)組成Fig.12 Maximum moment in vertical and its constitutions

圖13 立面最大剪力及貢獻(xiàn)組成Fig.13 Maximum shear in vertical and its constitutions

4）管體扭轉(zhuǎn)響應(yīng)較小。不利作用的主導(dǎo)項(xiàng)為管體一端或中間單側(cè)的兩根錨纜破斷。

5）管體與兩岸沉井若在冬日通過混凝土澆筑永久鎖定，當(dāng)夏日升溫時(shí)，如果管體端部軸向運(yùn)動(dòng)受限，易發(fā)生在平面上的壓桿失穩(wěn)（必要時(shí)在管體與一側(cè)沉井連接部位，研發(fā)適應(yīng)2～3 m軸向大幅度伸縮的特殊接頭）。如果施工時(shí)選擇夏日鎖定，冬日降溫后管體會(huì)產(chǎn)生最大近9 000 t軸拉力，而管體抗拉承載力約為40 000 t，兩者之比為23%。

最后，將上述平面與立面的最大彎矩求平方根之和得到空間最大彎矩5.27×105kN·m，并與最大軸拉力組合（該彎矩組合結(jié)果將比懸浮隧道實(shí)際可能出現(xiàn)的最不利工況結(jié)果還偏大），帶入斷面彎矩-軸力曲線中，如圖14所示?？梢?，斷面承載力仍有較大富裕，甚至預(yù)留了混凝土破損的富裕安全量。

圖14 鋼殼、鋼筋混凝土及其復(fù)合斷面的彎矩-軸力曲線與極端拉彎組合內(nèi)力點(diǎn)Fig.14 Moment-axial force curve of steel shell,reinforced concrete and their composite sections and the extreme tension-bending internal force point

綜上可見，實(shí)驗(yàn)工程管體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將由撓度控制（L/250）。同時(shí)考慮基礎(chǔ)錨點(diǎn)大幅度偏位和一對(duì)錨纜破斷引起的內(nèi)力增量、水流力、15℃降溫引起軸拉力（不考慮岸邊特殊允許伸縮接頭構(gòu)造）、以及7度地震等極端工況的最不利組合后，管體拉彎內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果仍只使用了其復(fù)合斷面承載能力的50%，抗剪只用到35%。

以上初步論證了實(shí)驗(yàn)工程的安全性。

4 需要進(jìn)一步開展的工作

為了確保實(shí)驗(yàn)工程可行性，還需結(jié)合當(dāng)?shù)厮?、氣象、地貌和地質(zhì)資料，進(jìn)一步開展的詳細(xì)驗(yàn)算或?qū)ｎ}論證工作包括但不限于：

1）通過約20 000個(gè)工況組合，校驗(yàn)管體的內(nèi)力和撓度、沉船與岸邊接頭的VHM復(fù)合承載力，以及錨纜的破斷力（包括單根錨纜彈振、VIV與參數(shù)振動(dòng)的驗(yàn)算）。

2）通過約200個(gè)水動(dòng)力、結(jié)構(gòu)與錨泊系統(tǒng)的單參數(shù)改變或狀態(tài)改變的敏感性分析，論證結(jié)構(gòu)體系的魯棒性（robustness）。

3）運(yùn)營(yíng)期管體重量監(jiān)控與調(diào)載方案論證與專題研究，包括當(dāng)?shù)靥卣鳝h(huán)境作用下的懸浮隧道長(zhǎng)期重量變化影響因子專題研究。

4）結(jié)合水下地貌與地質(zhì)參數(shù)，驗(yàn)算沉船地基的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定性。

5）火災(zāi)、車輛撞擊、沉船、落錨、地震引起的湖震等極端工況專題研究。

6）船舶通航與船行波等影響專題研究。

7）管體與錨纜深水高壓環(huán)境下耐久性與抗疲勞性能專題研究。

8）車-隧-浪-流耦合作用下全局響應(yīng)分析，通過加速度結(jié)果驗(yàn)算使用舒適性。

9）管體和錨纜渦激振動(dòng)耦合響應(yīng)分析。

10）臨時(shí)與永久止水聚合物解決方案研發(fā)。

11）施工、運(yùn)營(yíng)、監(jiān)控、養(yǎng)護(hù)風(fēng)險(xiǎn)專題研究。