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悬浮隧道——东西方的对话

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龙行天下 发表于 2019-5-2 22:57:33 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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《创世纪》的公元前,人类开始建造一座通天塔,为了阻止这个计划,上帝让人类说不同的语言,使之不能互相沟通,于是人类各奔东西。两千多年过去了,语言已不是障碍,但是东西方文化和理念上的差异,是否将阻碍人类共同研究悬浮隧道,“上帝的计谋”是否会再一次得逞?工程师的东西方对话开始了。桥梁的终极形式



西方:过去总让人觉得美好。虽然科技没有今日发达,但是人们有丰富的想象力。阿基米德发现了浮力,因此悬浮隧道的概念也被称为阿基米德桥。可惜这个想法至今仍没有实现。


东方:我们可以把悬浮隧道看作桥梁的一种特殊形式,一种尚未实现但终会实现的形式。桥梁专家茅以升先生以为,很高的造桥本领就是有桥恍同无桥,水上的人看不见桥,路上的人只见路。可见,悬浮隧道可以是桥梁的一种终极形式。


西方:也许把悬浮隧道看作沉管隧道的下一代更合适,因为两者在施工和设计方面的共通点更多,沉管隧道的下沉状态基本就是浮筒式悬浮隧道的最终状态。过去的工程是浪漫的。古巴用甘蔗支付沉管隧道的建设费。一群纤夫共同使力安装沉管,而不是用的现在的绞车。


东方:我们要看事物随时间的变化。一方面,随着科技的发展,沉管隧道在水下已经可做到无人但仍然能可视、可感、可控,相比过去的技术,事故发生的概率大幅度降低。但科技的进步并不意味着悬浮隧道的实现,在今天会比过去变得更容易。这是因为,我们对安全的要求也在提高——施工安全指标如TRIR(Total Recordable Incident Rate)和LWCR(Lost Workday Case Rate)。运营期的安全指标更多,例如,要求建设一条悬浮隧道的安全程度,要达到个人的死亡概率不超过0.000001每年。具体含义可解释为,如果一个人在100年时间都生活在悬浮隧道中,从来不从隧道中出去,她或他因悬浮隧道的失效而受到牵连并死亡的概率不能超过万分之一。类似这样高的安全准则在过去是不可想象的。所以,我们要注意时代的不同,以及随着时代而变化的事物的两方面。


西方:是。苏格兰的福斯桥(Forth Bridge)至今已经120年了,前几年已经申请成为了世界文化遗产,仍然在使用。这是好的一面。不好的一面是,施工时曾经100多人丧生,大多数被阵风刮落,这放在今天的施工HSE指标当然是不可接受的。在那个时代,福斯桥的建设稳定了民心,因为在这之前,更北边的Tay桥倒塌了,火车掉入了湖里,这个事故像雾霾一样笼罩着英国民众的心。但是工程师并没有因此放弃建造更大跨度的桥梁,退化到坐船,而是下决心要造出一座让民众的安全感极强的桥梁,于是有了壮美的福斯桥。可以说,是Tay桥的倒塌造就了今天的福斯桥。


东方:这个例子很好,很wonderful。这就是从好的事物中看到不好,从不好的事物中看到变好的成分,在顺境中注意反思和风险,在绝望中仍然找出希望。所以说,悬浮隧道过去没有建成也不是件坏事,这让我们能够用更加安全的方式,来实现第一座悬浮隧道的建设和运营。西方对悬浮隧道的研究很早就开始了,东方也已经开始了研究。我们认为悬浮隧道研究的核心应当是安全。安全又分施工时期的和运营时期的。关于施工安全,港珠澳大桥岛隧工程的沉管隧道33个管节35次安装做到了零事故,整个岛隧工程7年的时间做到了零伤亡。在这个基础上仍然借鉴外海工程和石油工程的技术,研究更安全的悬浮隧道施工工法。关于运营安全,可能需要构架一套新的理念,从本质上消除悬浮隧道的风险。
消除“本质风险”


西方:怎么消除悬浮隧道运营时的“本质风险”?


东方:包括但是不限于新材料的研究与应用,还有新结构体系的发展。如果悬浮隧道会被潜艇撞击,我们就要研究什么样的悬浮隧道的结构,被潜艇撞了之后结构不会失效,被撞的部位可以进行修复,而且能正常工作。材料的高强度和高韧性对防撞都好,而这两者在同一材料上是一对矛盾。高韧性的材料对于撞击物的保护有额外的价值。随着这个问题的深入,我们需要做一些试探性的试验,然后对材料及构造提出越来越具体的要求。举个例子,石油工程的管中管就是一个兼顾安全,同时价格也可接受的方案。

西方:橡胶的韧性最好,难道要用橡胶做一条悬浮隧道?与你们的想法不同,我们提出永不沉没(Unsinkable)概念,例如悬浮隧道的横断面的构造可借鉴双船壳的构造。泰坦尼克号就是双船壳的构造,也号称永不沉没,有16个水密舱,结果被冰川撞击,5个水密舱进水,撞了一次就沉了。当然,就像你之前说过的,时代不同了,我们用变化的眼光看待这个问题。所以我们又提出了将水密舱的内部用轻质的不透水的填料预先填满,这样悬浮隧道就绝对的永不沉没了。

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图1 双船壳的悬浮隧道横断面示意(左)以及改良的双船壳构造(右)

东方:但是这个方案的可施工性(constructability)需要研究。设计师不能讲自己设计出了什么,除非知道这个什么是怎么被施工出来的。双船壳构造的施工,内部的填充,以及船壳的额外厚度带来的巨大的净浮力,对锚固施工可行性的影响,这些问题都需要评估。施工工法的平行研究与结构的研究同等重要。

西方:这点我们认同。我们早已认识到施工方面承包商的早介入对工程有好处,我们叫Design for construction,所以同理可知,承包商的早介入对悬浮隧道的工程研究也有巨大帮助。


西方:回到安全的问题,多安全才算是安全?我们对安全的研究是定量的。可以画出两条线,一条线是随着投资增加,悬浮隧道建设安全度增加;另一条线是随着投资的增加,悬浮隧道不安全度在降低,也就意味着,发生事故损失的费用的期望值在降低。将投资的增加与损失费用期望值的降低这两条线叠加,就是悬浮隧道全寿命的期望总投资,我们会发现这条线呈现一个山谷状。理论上,谷底就是对悬浮隧道最优的经济投资。

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图2 悬浮隧道投资与安全关系的经济最优模型

东方:这个和买保险差不多。但是这个经济最优模型,如何体现人的生命安全的意义?

西方:如果把事故发生后人的生命损失价值也计入模型,现在投资最低点就不是最优解,最优解一定在这个点的右边,也就是说,悬浮隧道一定要做得比精算出来的安全度要更偏安全。但是,人的生命又是无价的,如果用价格来代入模型计算,又有道德问题。所以这个模型仍然是不完善的。

东方:这个无解的结论也正说明了,为什么我们一定要研究如何消除悬浮隧道的本质风险,而不仅仅是确保算命般的风险概率上的安全。

西方:但是我们仍然应当定量的研究问题。数字中不带魔法,但是数学可以解释很多问题。对于悬浮隧道这种漂浮在水中的长细结构来说,结构工程师可以计算它的挠度,从而了解结构的内力。

东方:计算挠度的意义对于悬浮隧道而言,不仅仅是结构安全。我们还要注意在隧道内的人的安全体验。如果隧道发生了结构可以接受,但是较奇怪的变形(挠度),例如前面的路突然消失了,就会带来隧道内的开车人或坐车人的恐慌,进而引发次生风险。

西方:还有。挠度对时间求两次导数就是加速度,挠度对时间求三次倒数就是加速度的变化。这些指标大到一定程度会给人带来眩晕感。

东方:是的。比如晕船、晕车、晕悬索桥、晕摩天大楼。对这些指标的调研,可以帮助我们确认悬浮隧道的设计准则。如果我们去查看这些指标,会发现这些指标又和人处在该环境内的时间长短有关系,也和人的状态,是坐着、站着、躺着,还是在工作,有关系。

西方:加速度和挠度同向增减,挠度和外部作用同向增减,挠度和结构刚度是此消彼长。外部作用是通过选择悬浮隧道的地址决定的。结构刚度是可控的、可设计的。所以只要把这几个因素搞明白了,悬浮隧道是可以被定量研究的。

东方:部分对。如果悬浮隧道的问题只是一个静力问题,我们只需关心刚度,因为挠度等于荷载除以刚度。刚度的贡献基本来自三部分,一是横断面的布置形式以及隧道的总长和端部约束方式所带来的抗弯和抗扭刚度,二是缆索的布置间距及形式和材料的贡献,三是悬浮隧道自身线形的等效刚度。但是,悬浮隧道由于波浪、水流、气候等因素是无时无刻不在运动着的,是分子发生运动的作用。我们所谓的静止只是运动的一个特殊形式。研究运动的问题时,我们会不经意地理想化了很多因素,比如质量守恒、能量守恒和动量守恒。我们已有的数学模型与真实的工程相去甚远。

西方:因此,对于数学模型无法解决的动力问题,包括结构和水的互动问题,我们开展了物理模型试验,在长条形的水箱中,把悬浮隧道横向切出来一截缩小后放在水槽中被水流和波浪冲洗,并观察该节段的运动规律。

东西方的争论与合作

东方:你说的就是节段模型试验,这对悬浮隧道的研究很有意义。但是我们还必须同步进行悬浮隧道的整体模型试验。整体模型试验在你们过去几百年的研究中几乎是空白。我们打算开展整体物理模型试验,在水池中进行,你们加入吗?

西方:这个想法很震撼,但是我们还觉得为时过早,因为整体模型试验花费的精力和资源是较大的,我们还是想一步一步地研究,先把小型的节段试验做好,同时继续案头工作,进一步研究数学模型,通过这两种手段把问题想得更透彻。直到我们对悬浮隧道行为的理解到达了某一个程度以后,再来开展悬浮隧道整体物理模型试验。这是我们的研究策略。


东方:你们过去研究了几百年的悬浮隧道,始终都建造不出来一座。原因可能就是这个策略本身。我们不能只研究局部,我们要对悬浮隧道建立起系统的和全局的认识。整体物理模型试验可能是目前唯一的途径。

西方:我们恐怕较难认同这个观点。我们相信,创造知识可用来节省投资,节省投资在大多数情况下就是可持续发展。所以西方目前已经有50多个博士及博士后在研究悬浮隧道的各个方面,带着科学的严谨。我们西方人思考问题想得比较长远,你们东方人似乎较追求效率和速成。

东方:我试着换个角度来讲。如果你们继续在数学模型和节段模型上投入了大量的研究资源,而忽视整体模型试验,你们的研究工作存在“南辕北辙”的风险。就是说,经过几年的研究,你们有可能发现这个研究方向是错的,之前投入的很多研究成果,从工程价值角度看就会失去吸引力,尽管科学的价值也许仍然存在,会有很多论文被永久保留。回过头来,你们又要重新组织资源来开展另一个方向的研究,与其这样,不如早一点开展整体模型试验。这是其一。其二,对悬浮隧道动力行为的预测,不同于桥梁或船舶,后者我们已经获得了大量实测数据,数学模型可以被校验,直接用数学模型研究桥梁和船舶运动是有可能的。比较而言,目前没有人敢说悬浮隧道究竟会怎样运动,悬浮隧道的原型(prototype)是真实的。其次是缩小的物理模型,再次是数学模型,结构和水相互作用的数学模型目前无法求得理论解,只能得到更次之的数值计算的非精确的解。所以如果放弃整体模型,而只是通过案头工作来研究悬浮隧道的行为,就是本末倒置。

西方:这么说有道理。大卫休谟说:最活跃的思想也不及最愚钝的感觉。但是你们现在的研究和思考太少,连隧道的地址都没有确定,荷载也就无法确定,你们的试验可能什么有意义的数据都得不到,这个试验的目的不够明确?


东方:在这个阶段,我们侧重研究悬浮隧道的行为机理,而不是具体数字。通过这个试验,我们要看穿数字,看到数字背后的本质,我们要找到答案,尽管问题还没有提出。


西方:我很惊讶你这么讲,能否具体一点。


东方:那就让我们来讨论一个“很小”的问题,悬浮隧道的管体接头部位的刚度是做成柔性的还是刚性的?比如一条两公里长的隧道,每100米有一个施工缝。这个施工缝的设计理念如何确定?


西方:挪威的建议是做成全刚的,即接头部位的刚度(以及强度)不能弱于管体,理由是结构体系清晰明了,典型的北欧极简主义。


东方:我们走进一点看这个问题。接头是刚的,意味着结构体系的刚度大,刚度大意味着挠度小,加速度和加速度的变化也小,这是对结构及人的眩晕感都有益的。但是,不要忘记了悬浮隧道的行为是动力问题,你们的节段物模试验有什么发现?


西方:我们在试验中发现,如果悬浮隧道的节段被固定得很牢固,也就是被很高的刚度约束着,节段所收到的水流和波浪荷载是最大的。如果节段固定得较松动,节段上所作用的荷载就会减小。


东方:矛盾出来了。前面我们讲挠度和加速度与荷载正向增长,与刚度反向增长。你的观察结果说明了这个问题不能给出简单的解答。因为荷载还是刚度的函数,随着刚度的降低,荷载也降低,所以挠度和加速度的变化趋势,是无法通过简单的节段试验来预测的。光是这个问题我们就需要整体模型试验。另外,开展这个试验本身就是一个需要探索的科学问题。模型该如何
设计,才能既代表原型的特性,又能被精确地制造出来并方便地在水池中进行安装,还能确保数据的测量。

西方:最后仍有一个疑问,你们不担心失败吗?


东方:罗素说,人生就像一条河流,从湍急到平缓,最后逐渐汇入众生的大海,悄然失去自我。而工作到最后一刻的满足在于知道自己完成了些什么,以及别人将接着做什么。失败只是成功的过程。


西方:这么讲能通。我们判断这个试验的开展是有永恒价值的(permanent value),永恒是西方的美德(virtue),也是我们评价科学和技术价值的指标。这个试验就如同1810年在泰晤士河开展的第一个沉管隧道试验一样,人们会永远记住这个第一次。


东方:是的。唯一永恒的是变化(change)。我们可以开展合作了吗?


西方:很荣幸。最后让我们预祝试验成功。飞逝的时间终将证明我们今天工作的价值。


东方:时间没有走,走的是我们。

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图3 整体物理模型试验概念设计(2018年8月)

致谢:本文的成稿离不开在与中交悬浮隧道联合研究组国内外工程师协同工作中得到的启示,研究工作离不开改革开放40年后的今天。


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本文刊载 /《桥隧产业资讯》杂志2018年 总第35期作者 / 林巍作者单位 / 中交悬浮隧道工程技术联合研究组
转载自《桥梁杂志》
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