吳澤燚， 余園園， 黃蘇青， 陳海亮， 楊贏

（紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，紹興 312000）

0 引言

懸浮隧道是一種由懸浮于水中的管體、水下基礎(chǔ)、錨索和駁岸連接段組成新型的交通結(jié)構(gòu)物。相比于傳統(tǒng)的橋梁、隧道等跨越方式，它具有跨越能力強(qiáng)，全天候運(yùn)行，對(duì)地形的適應(yīng)性好，建造成本不隨長(zhǎng)度增加而顯著增大等優(yōu)點(diǎn)［1］，在未來(lái)跨海峽通道建設(shè)中具有極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿?，越?lái)越受到國(guó)內(nèi)外工程師的關(guān)注。

早在上世紀(jì)60年代，意大利在Messina海峽通道建設(shè)中就考慮了懸浮隧道方案，并進(jìn)行了可行性研究。自1985年起，挪威對(duì)Hogsfjord海峽懸浮隧道也進(jìn)行了全面認(rèn)證，認(rèn)為在跨越深水海峽時(shí)懸浮隧道方案比橋梁、沉管隧道及海底隧道要優(yōu)越［2］。2001年，懸浮隧道概念首次進(jìn)入中國(guó)，在舟山金塘海峽通道建設(shè)中多所高校和研究所參與了可行性研究，取得了一定研究成果。隨著越來(lái)越多的研究人員的加入，中國(guó)的懸浮隧道研究發(fā)展非常迅速。

近幾年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)懸浮隧道的研究以理論分析為主，研究的熱點(diǎn)集中在波流［3-7］、車輛［8-10］、地震［11-13］、碰撞爆炸等［14-16］不同作用下管體和錨索的動(dòng)力響應(yīng)分析和相關(guān)的試驗(yàn)研究等［17-19］方面。但對(duì)施工過(guò)程研究較少。蘭利敏［20］對(duì)懸浮隧道的發(fā)展和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)懸浮隧道施工方法進(jìn)行了探討。Statens在挪威Sognefjorden［21］浮筒式懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中，提出采用整體浮運(yùn)的安裝方法。魏佳奇［22］對(duì)施工過(guò)程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。

在沒(méi)有工程實(shí)例的情況下，沉管隧道的施工方法對(duì)懸浮隧道有很好的借鑒意義。隨著港珠澳沉管隧道和深中通道的建設(shè)，我國(guó)的沉管隧道建造技術(shù)更趨成熟。然而懸浮隧道與沉管隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境不同，其面臨的管體水中懸浮拼接和錨固、流線型截面制造等問(wèn)題又超越了沉管隧道施工的范疇，需更深入地研究。

文中在已有研究的基礎(chǔ)上，分析了鋼筋混凝土懸浮隧道管體在預(yù)制和拼裝過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)，提出管體采用裝配式鋼-混組合截面的設(shè)想。針對(duì)節(jié)段拼裝和節(jié)段頂推兩種施工方法，分別給出了管段安裝過(guò)程中定位裝置和臨時(shí)錨固裝置的概念設(shè)計(jì)方案，以期為將來(lái)懸浮隧道施工提供參考。

1 管體預(yù)制和改進(jìn)

懸浮隧道的管體通常采用鋼筋混凝土制造。管段在岸上干塢中進(jìn)行預(yù)制，該方法在沉管隧道中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟。處于水中的懸浮隧道管體需具有良好的流體動(dòng)力特性，常采用多邊形、橢圓形等流線形截面，管體的截面形式較沉管隧道的矩形截面更為復(fù)雜。此外，為保證管體具有較高的密閉性和安全性，并方便管線的布置，通常采用多層多分艙的箱形截面，圖1、圖2為金塘海峽和Messina海峽懸浮隧道的多邊形混凝土管體截面［23］。

圖1 金塘海峽懸浮隧道管體截面（單位：m）

圖2 Messina海峽懸浮隧道管體截面（單位：m）

截面如此復(fù)雜的管節(jié)在預(yù)制過(guò)程中，對(duì)于混凝土澆筑質(zhì)量控制、模板和預(yù)埋件的精確定位、大體積混凝土裂縫控制，全斷面鋼筋籠安裝和變形控制等方面均提出了更高的挑戰(zhàn)。施工過(guò)程中容易出現(xiàn)因管體尺寸偏差導(dǎo)致對(duì)接困難，及管壁出現(xiàn)裂縫而影響管體的密閉性和耐久性等問(wèn)題。

為減小管體預(yù)制難度，保證預(yù)制的質(zhì)量，文中提出一種裝配式鋼-混組合管體截面，如圖3所示。管體外殼由混凝土與鋼板共同組成，兩者之間通過(guò)栓釘連接。外層混凝土對(duì)內(nèi)襯鋼板具有保護(hù)作用，使其免遭海水的侵蝕。鋼板又能保證管體在外層混凝土開(kāi)裂或遭受碰撞等事故時(shí)管體的密閉性，提高懸浮隧道的安全性能。同時(shí)，鋼板又可以作為混凝土澆筑的模板。內(nèi)部分隔壁全部采用預(yù)制裝配方式進(jìn)行施工，將預(yù)制好的鋼筋混凝土板通過(guò)預(yù)埋件焊接和局部現(xiàn)澆濕接等方式進(jìn)行組裝，與整體澆筑的截面相比，可有效減小截面內(nèi)部的次應(yīng)力。在施工過(guò)程中，為縮短管段占用干塢的時(shí)間，在鋼-混組合外殼預(yù)制完成后即可下水拼裝，內(nèi)部管壁的裝配在管體節(jié)段下水之后進(jìn)行，可以顯著地提高管段預(yù)制效率，縮短工期。

圖3 裝配式鋼-混組合截面

2 管體節(jié)段安裝

當(dāng)前關(guān)于懸浮隧道施工方法的主流觀點(diǎn)有水下節(jié)段拼裝法和節(jié)段頂推法兩種。

2.1 節(jié)段拼裝法

采用節(jié)段拼裝法的管段在干塢中預(yù)制完成后，封閉管體兩端，并向干塢注水使管段上浮。由拖船運(yùn)送到施工區(qū)域后，通過(guò)調(diào)管體內(nèi)部載荷，使管段下沉至預(yù)定深度進(jìn)行拼裝，如圖5所示。該種方法在沉管隧道中應(yīng)用較為普遍。但懸浮隧道的管段拼裝在水中進(jìn)行，除纜索外并無(wú)其他支撐。在海洋波浪和洋流的作用下，下沉的管段易發(fā)生漂移，給管段間精確定位和拼裝造成較大的因難。參考沉管隧道施工標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接接頭允許偏移量應(yīng)不大于20mm，管段軸線偏差應(yīng)不大于50mm［24］。因此，需要為管段的精確對(duì)接提供一個(gè)穩(wěn)固的施工平臺(tái)，使得待拼裝管段和已安裝的管體之間保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 節(jié)段拼裝施工法

因此，文中提出了管體拼裝施工定位裝置的概念設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。該裝置主要由桁架導(dǎo)梁、液壓夾持裝置、水平滑軌和水平牽引裝置組成。在已安裝完成的管體上，通過(guò)環(huán)向固定裝置安裝4條桁架導(dǎo)梁。導(dǎo)梁需要保證足夠的強(qiáng)度和剛度。當(dāng)管段下沉到預(yù)定深度時(shí)，先將其一端緩慢移至4條桁架導(dǎo)梁中，然后通過(guò)4個(gè)方向的液壓千斤頂相互夾持固定住管段，避免管段在水流擾動(dòng)下發(fā)生過(guò)大的位移。當(dāng)管段固定后，通過(guò)微調(diào)各千斤頂行程，使管段與已安裝管體對(duì)準(zhǔn)。最后通過(guò)水平牽引裝置，帶動(dòng)液壓千斤頂和管段一起沿著桁架導(dǎo)梁中的滑軌移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管段的精確對(duì)接。

圖5 管體拼裝施工定位裝置

當(dāng)管段完成接頭施工并錨固后，將定位裝置向前移動(dòng)，以進(jìn)行下一段管體的對(duì)接。通過(guò)該定位裝置，可減小管段受水流等擾動(dòng)的影響，使其與已安裝管體間保持相對(duì)靜止。

2.2 節(jié)段頂推法

節(jié)段頂推法與橋梁的頂推施工類似，在管段預(yù)制完成后，通過(guò)設(shè)置的滑道運(yùn)送至頂推作業(yè)區(qū)，在和已安裝管體完成預(yù)應(yīng)力連接后，將管段連續(xù)逐段推出下水直至對(duì)岸，如圖6所示。節(jié)段頂推法的優(yōu)勢(shì)在于可避免水下管段對(duì)接施工，確保接頭質(zhì)量。

圖6 節(jié)段頂推施工法

在頂推過(guò)程中，為保證處于懸臂狀態(tài)的管體穩(wěn)定，需要采用臨時(shí)的錨固系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行約束。臨時(shí)錨固系統(tǒng)既要能對(duì)管體提供有效約束，又要適應(yīng)頂推過(guò)程中管體不斷前行的要求。如何設(shè)置臨時(shí)錨固是節(jié)段頂推施工法的關(guān)鍵問(wèn)題。

為此，文中在已有概念設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種可滑動(dòng)的錨固裝置來(lái)解決頂推作業(yè)的臨時(shí)支承問(wèn)題，如圖7所示。

圖7 可滑動(dòng)的臨時(shí)錨固裝置

該裝置主要由鋼筋混凝土錨塊、浮筒、滑軌及滑槽組成。當(dāng)管體延伸到預(yù)定錨索位置時(shí)，將鋼筋混凝土錨塊置于管體之上，錨索穿過(guò)錨塊預(yù)留孔道并進(jìn)行張拉錨固。管體由于浮力作用存在上浮的趨勢(shì)，由混凝土錨塊和錨索共同作用對(duì)其進(jìn)行約束。

在鋼筋混凝土錨塊內(nèi)側(cè)以均勻間隔安裝有型鋼滑軌。與之對(duì)應(yīng)的，在懸浮隧道管體表面相應(yīng)位置開(kāi)設(shè)滑槽。型鋼滑軌置于滑槽之內(nèi)，確保在頂推過(guò)程中混凝土錨塊可沿管體縱向滑動(dòng)。為減小滑動(dòng)摩擦力，可在滑槽表面進(jìn)行潤(rùn)滑處理，如添加機(jī)油潤(rùn)滑劑、粘貼聚四氟乙烯薄膜等。

在頂推過(guò)程中，由于管體向前運(yùn)動(dòng)，不可避免地會(huì)帶動(dòng)臨時(shí)錨固裝置向前移動(dòng)，使錨索傾斜。為了保證臨時(shí)錨固裝置的位置相對(duì)固定，在鋼筋混凝土錨塊的上方設(shè)置浮筒。當(dāng)錨索發(fā)生傾斜時(shí)，在浮筒向上的浮力和錨索拉力水平分量的共同作用下，可使混凝土錨塊復(fù)位。

該裝置構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝方便，可有效解決頂推過(guò)程中管體和錨固裝置相對(duì)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。在完成懸浮隧道管體頂推作業(yè)后，可在混凝土錨塊和管體之間進(jìn)行灌漿處理，或進(jìn)行緊固連接限制混凝土錨塊的位移，將臨時(shí)錨固裝置轉(zhuǎn)換為永久錨固裝置，有利于減少施工成本。

3 結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)懸浮隧道管體節(jié)段的預(yù)制和拼裝過(guò)程中的面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析，針對(duì)性對(duì)截面形式、拼接和錨固裝置進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下：

（1） 懸浮隧道管體截面形式復(fù)雜，采用整體預(yù)制方法對(duì)其質(zhì)量和精度的控制難度很大。裝配式鋼-混組合截面能提高管段的安全性和預(yù)制效率，減小管體次應(yīng)力，保證管體施工質(zhì)量。

（2） 懸浮隧道管段水中拼接易受波流等作用的擾動(dòng)。文中提出的施工定位裝置可為管段提供一個(gè)相對(duì)固定的施工平臺(tái)，保證精準(zhǔn)對(duì)接。

（3） 提出的可滑動(dòng)錨固裝置可有效解決頂推過(guò)程中管體和錨固裝置相對(duì)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，為施工過(guò)程中懸臂管體提供臨時(shí)錨固。