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悬浮隧道真的可行吗?我们做了一场脑洞大开的对话——《桥梁》杂志2018年07月17日


3月的阿姆斯特丹,郁金香尚未开。在郁金香博物馆的对面开了一家咖啡馆,馆名叫“悬浮隧道”。店主是土耳其人,他从小在家乡时就听说国家要建造这个东西,但是最后不了了之。他认为用一个不存在的东西做店名会吸引更多的旅客。这个策略至今很成功,直到有一天,一位学者和一个工程师走进了这家咖啡馆。

对话开始了……

工程师:我听说在这里喝coffee会让思想模糊,喝café反而会清醒。

学者:对。可要点对了。很多学校对悬浮隧道的研究都非常的感兴趣。实际上已有很多的研究成果与试验了。

工程师:是的。这些研究对我们建造悬浮隧道提供了帮助。也给了公众以及潜在业主信心。

学者:没错,如果你观察发表论文的数量,会发现呈现幂级数的增长。而且研究的主题从20年前的仅仅是悬浮隧道的概念,深入到了研究某个具体的问题,比如BWR(浮重比)、缆索、锚、水动力、横断面、运营安全风险。虽然研究的很广泛,但我不得不承认,比较分散。而且现有研究缺少系统性,也缺少对施工的描述。究竟施工可不可行呢?

工程师:施工方面可以再细化。但是很多成熟的经验与技术可以从沉管隧道与石油行业转化。作为土木承包商我们最担心的问题还是“悬”这个字。一个隧道就这样悬着100年真的可以吗?它和沉管隧道不一样的,沉管至少有一个面是有根的。但是悬浮隧道只在两头生根。当然这也加大了悬浮隧道方案的吸引力,因为基础施工简单了,也不用回填,而且不回填还意味着没有土荷载,结构负担轻,经济性应当会很好。

学者:注意我们不能仅仅从经济的角度谈论工程问题,人的生命也很重要。在这里(荷兰)很多居民都住在海平面以下,所以对防洪的研究是要量化的,量化的结果直接与死亡率关联。让人穿过悬浮隧道,就像是把人暂时装进飞机里一样,两者的旅客在一段时间内都是被危险的流体所包围,唯一的不同是飞机外是低压,隧道外是高压,但是都不是适宜人生存的压力,确保他们生存的唯一的条件就是包围着他们的柱状体。

工程师:是的。我想挖掘出过去的人们是如何被劝上飞机的。我记得国际隧协(ITA)的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为什么悬浮隧道是安全的。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的空白。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或者真空,再创造新的知识把这个缝隙填上。

工程师:这么说很多问题都是科学问题了。那么能否根据科学问题的大小进一步区分为大众的科学问题和博士的科学问题?对于悬浮隧道而言,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我称之为大众的科学问题。而有一些更复杂与艰难的问题需要一个博士甚至几个博士的研究才能解决。简单讲,按马哲,就是把问题分成一般的和特殊的。

学者:也可以这么讲。

工程师:那么对于一般的问题我没必要打扰您,我和我的同事就能解决了。我只和您讨论特殊的问题。也就是至少需要一个博士的研究才能解决的问题。

学者:是什么问题?

工程师:我定义的科学问题是,悬浮隧道纵向结构的动力的行为是怎样的?事实上,我认为这可能是悬浮隧道唯一没有解决的特殊问题。因为其它的问题几乎都是一般的问题。按照沉管隧道设计的经验我们可以把问题分解成横向(结构)问题和纵向(结构)问题。也可以分解为动力问题和静力问题。这样就二二得四。分解成了四个问题。


学者:我不认为能这么分解,但先听你讲完。

工程师:横向静力问题(对应①)和桥梁与沉管隧道没有区别。甚至更简单。这点毋庸置疑。纵向静力问题(对应③)确实是一个比较麻烦的问题,仅对于浮筒式的悬浮隧道,就是水位的变动。一变动,岸边的接头就会有很大的受力。我看到的挪威的工可方案提出过两种解决办法,一种是把岸边连接段的结构和接头做强,就是靠硬抗。另外一种方法是监测潮位和海水密度和海温,根据监测数值在隧道内设置可实时调节的压舱水箱。但是后者似乎被嫌弃。

学者:还有个办法。在隧道和浮筒之间设置一个可调节的设施。但是这个方式也确实不方便,因为在水下,维护不便。


工程师:好主意!你可以把这个设备放在浮筒里吧?

学者:哦。

工程师:回到主题。横向、纵向静力问题,只要结构工程师花点时间就能解决。剩下的就是②和④这两个动力问题。我先请教一个问题,一些论文说缓慢变化的水流力也对悬浮隧道的自振周期有影响,这算是动力问题吗?

学者:动静是相对的。取决于结构的自振周期。

工程师:是的。那么悬浮隧道结构横向的动力问题(对应②)也并不复杂。因为横向结构没有柔性连接,而且横向的结构为了抵抗水压或者保证BWR端面上看还是很粗壮的。也就是说,横向结构的自振频率特别的高,周期特别的短。那么相对于横向结构,只有极少数的工况可以被划定为动力工况,比如落锚。但是这些工况往往不控制。我这里的横向结构指的是结构自身,不包括浮筒与连接,或者缆绳与连接。后者看似是横向问题,实际上是纵向问题。


工程师:请再忍耐我一会儿。所以剩下的问题就只有④了。也就是纵向结构动力问题。这个问题实际上几乎可以把所有悬浮隧道的问题连接起来。起到一个纽带的作用。应当是系统分析的核心。我列举几个关联:

♦ 岸边接头:接头的刚度决定的纵向结构的振动形态

♦ 中间接头:同上。

♦ 锚定形式:同上。当然也要兼顾人员的逃生。

♦ 锚定间距:同上。当然也要兼顾冗余的设计。

♦ 横断面形式:横断面的抗弯刚度决定的纵向结构的振动形态。

所以这就是为什么对于悬浮隧道而言我最想定义的科学问题是这个。

学者:那么首先你需要运用水动力学和结构动力学,来了解悬浮隧道的结构的行为。水动力问题很多。波浪、涌浪、水流、VIV(涡激引起的震动)、水密度变化、滑坡物引起的波浪、潜水艇沖撞。

工程师:还有鲸鱼冲撞。

学者:还有鲸鱼。还有船撞。但是悬浮隧道可以建造在船底标高以下。还有沉船。但是沉船的概率不大。因为船要刚刚好沉没在隧道的正上方。

工程师:是。你说的这些让我想表达纵向结构抵抗动力设计的策略。我画个图。虽然我的言行与我的工程方案一样注重可持续发展,但我还是要找张纸来画图解释给你看。

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。我只是画概念图,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。

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特点?就我当前有限的知识,我不敢冒险把纵向结构的自震周期放在两个不震动的“甜点”之间,为什么?因为围绕着结构的水将调节纵向结构的自震周期。这样自震周期就可能正好撞见某个水动力的载荷的循环周期,进而引起共振。在空气中我不担心,因为空气的质量是0,而水的质量是1。水的质量会导致整个结构的振动的状态的变化。所以,我倾向于把悬浮隧道的结构自震周期放在两个极端,要就刚,要就柔。

学者:我也是这么想的。如果结构很柔,意味着悬浮隧道平时的晃动的幅度很大,如何保证接头部位在不断的大幅度运动的情况下还能保障止水?这个问题缺失是另外一个科学问题。另外就是晃动对交通安全是否影响,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。就像已有案例的水下的墩台式隧道一样。

工程师:是的。代尔夫特大学Bas教授10年前发表了一篇论文,总结了世界上存在的25种风险量化方法。也许我们可以从中选取最适宜的1到2种,将结构行为的结果作为风险模型的输入条件。

学者:你还要考虑连动问题。就是一个风险概率的变化可能导致另一个风险的概率的变化。也就是贝叶斯概率。概率本身其实也值得很多的研究。但是作为起步,你可以用上限法先用简单的概率模型分析,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模。

工程师:是。

学者:你的研究题目“纵向结构分析”可能存在歧义。如果一个波浪从斜向打过来悬浮隧道,那么你的隧道的受力就是三维的,既不是横向也不是竖向。而且有些隧道比如挪威的存在曲线,那么你的纵向模型恐怕是无法考虑隧道的扭转问题的。也就是平面曲线隧道的中间部位的竖向的位移导致岸边接头的扭转的问题是无法通过简单的纵向模型考虑的。

工程师:是的。你提醒了我。我所谓的纵横向问题的出发点实际上是从结构的破坏模式的可能性上得来的。你看我手中的圆珠笔,我能在纵向上掰断它,但我不能在横向上掰断它。

学者:还有就是被广泛讨论的悬浮隧道的水淹的问题,你如何解决?

工程师:也分为普通问题和特殊问题。普通问题的水淹所有的隧道都存在,水淹可以由暴雨、越浪等问题引起,所以正常设计就行。悬浮隧道的水淹应当关注的是因为结构发生过大的变形导致外界的高压水(如果是50m深就是0.5 Mpa)从结构或者某个接头的部位进入隧道。水淹的前提是结构的变形超出允许的范围了,或者结构被破坏掉了。

学者:这是问题的一方面。另外一方面是定义一个标准。比如在水淹发生后,允许两个管节淹水且水的高度不能超过多少。如果一旦超出,则认为这个隧道要被废弃了。因为接着使用人的安全的风险将不可接受。

工程师:是的。这个定义与隧道的排水系统的能力也要建立联系。

学者:水淹及火灾等工况时还要考虑人员逃生。浮筒式的悬浮隧道的一个好处是可以把浮筒作为向上的逃生通道(但是轮椅人怎么逃?)。

工程师:这点提醒了我。我之前一直思考为什么浮筒式的悬浮隧道不做成沉管隧道安装时的悬停状态。从安全方面找到了答案。从结构方面的答案恐怕是沉管安装时的悬浮隧道的结构体系的自由度太多,而且振动频率分布广泛,不容易避开水动力。


学者:水动力里最需要注意的是涡振。涡振和飞机翅膀让飞机起飞是一个道理。是伯努利力。

工程师:换算成力大概在什么量级?

学者:力是结构变形的产物。大致上涡振的力的量级可以达到水流力的三分之一。这只是在结构是静止的假设前提下。但问题是涡振的频率和流速是有关的。这样就很容易引起悬浮结构体的共振。

我对这个研究的另一个建议是可以从一些小尺寸的(公分级别的)水槽试验起步。比如先从最简单的圆型断面做起。

工程师:做这些试验的意义是什么?似乎对工程没帮助。因为横断面、锚定形式、接头是刚是柔,甚至连边界条件都还无法确定。边界条件需要我们初步定一个隧道建设的地点与走线。

学者:两个意义。一、任何试验,前人没有做过的都是填补知识的空白。这在学术界是有实际意义的;二、你即将用到的数模,特别是水动力模型的结果是不可信的。试验可以验证与校正你的数值模型。当然你可以用别人的已发表的物模试验的结果。但是别人的试验的数据是否足够你使用,可信度有多高,这中间难免会产生一个差异。而且,我们得行动起来,需要做些什么让悬浮隧道的接近可实现的程度。

工程师:明白了。最后一个问题,如何模拟隧道的整体行为呢?注意我避免说纵向结构行为因为你提出了质疑。

学者:最直接的方法就是把整个隧道以及边界建模。但是没有计算机能够计算这么大的模型。

工程师:量子计算机可以吗?

学者:我不太确定。我不知道理解得是否正确。量子计算之所以快,是建立在我们的世界有诸多平行世界的假设之上的。也就是我们解方程的时候,特别是没有明确解的水力学方程的时候,我们让其它千万个平行世界的计算机帮我们一起干活。如果真能实现,你可以等到那一天,建立一个5千米长的悬浮隧道全局模型。

工程师:现在工程需求日益强烈,恐怕等不到那一天。

学者:那么恐怕需要将水动力模型与结构动力模型(比如用梁单元或板单元)结合起来使用。在中间建立一个关联。让两者的结果互为两者的输入条件,并反复迭代。

工程师:我懂了。但是考虑到实际工程问题有成千上万个工况,即使成功建立了这种模型,计算一个工况也要花费大量的时间,计算工作量太大。所以我打算先从最简答的线弹性模型入手,计算所有的工况,从中找出几个控制工况,再对这几个控制工况进行这种详细的分析。把这个问题解决了悬浮隧道的建设就指日可待了。谢谢您的指点。

学者:祝好运!


后话:虚构的对话,真实的想法

以上的对话是虚构的。但是思想来自历时3天的6场真实发生过的对话。其中五场发生在荷兰代尔夫特大学,一场在阿姆斯夫TEC的办公室。谈话者来自印度尼西亚、巴基斯坦、中国、俄罗斯、韩国以及欧洲各国。对话时的情景都是轻松、柔和、随意的,有人喝咖啡,有人吃东西,当然也有人打领带。但是都非常的高效与具有启发性。

对话的参与者有学科带头人,有教授,有老师,有研究悬浮隧道“永不沉没”概念的研究生,研究生的导师,博士,有工作30多年的工程师。需注意,很多的谈话者既是学者,又是工程师。比如李英博士,她在学校做研究到了博士,又在工程上工作多年。Dirk Jan在工程上工作了10多年,又回到学校去做研究。所以在对话中我所设置的一位工程师,和一位学者,也可以代表是一个人的工程思维与学术思维的碰撞。而在悬浮隧道问题上,工程需求与科研目标一致,两者都是为了填补空白,前者是实际的空白,后者是理论的空白。

第一场:Bas、Jeremy、Dirk Jan、林巍(关于研究总体方向)

第二场:Dirk Jan、Ard、林巍(关于悬浮隧道的结构)

第三场:Daniil Popov、Fahad Pervaiz、Mazen Alqadi、Nauman Raza、Sung-Soo Lim、Erik van Berchum、李英、陈雪雪、林巍、王晓东(关于风险)

第四场:Wim教授、Dirk Jan、李英、陈雪雪、林巍、王晓东(关于水工物模)

第五场:曲洋、赵明娟、李英、陈雪雪、林巍、王晓东(关于力学与水动力学)

第六场:Arjan、林巍、王晓东(关于工程设计)

写这篇文章的时候,已经距离对话过去了两周。对话过程没有录音,也没有做笔记。我的记忆已模糊,谁说的什么观点已记不清了。如果文中的某个观点来自哪位谈话者的贡献但是没有具体说明在此致歉。但正是记忆的这种模糊性(aboutness)赋予了我们创造力。

责任编辑:editor

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