我们怎样研究悬浮隧道?

本文是作者参与中交悬浮隧道工程技术联合研究组近2年工作期间的体会感想。

       主线(Threads)
       悬浮隧道无端被研究了上百年,在很多次人类超越过去的梦想即将成真的时刻,因各种各样的“非技术”因素在最后一刻破灭,我们所知的理由如害怕入侵、渔业问题、船撞问题等,也许已经很难分辨这些是原因还是借口。问题的本质仍然是悬浮隧道安全吗?
       所以,悬浮隧道研究的首要原则就是要有安全体验。安全体验是本质安全,而不是风险概率上的安全。当然研究风险概率也是必要的,也即风险等于发生事故的概率乘以事故发生后的后果。
       对于悬浮隧道而言,风险是结构的影子,风险和结构是一枚硬币的两面,结构是阳则风险是阴。反之亦然。道理很简单,如果没有悬浮隧道就没有因为悬浮隧道而酿成的风险的果。风险是因为有了存在才存在的。也就是一生二。所以,我们研究的主线是悬浮隧道的形(form),用工程师的话说叫做结构,副主线是风险(risk)。结构与风险相生相克,既相互制约又此消彼长,在对立与统一中不断发展,达到一个相对调和的最佳状态时,用工程语言将其表达出来,就有了一个具备可持续性的、具备足够安全体验的悬浮隧道设计图,这个设计图在与社会的互动以及施工过程中不断的被完善,其核心是使用者、制造者和设计者的对话,将是世界第一条悬浮隧道的原型。
       解决了研究的主线和副主线的问题,也就是从最初的一个单纯的悬浮隧道建造的念想和需求,沿着哪个方向走能够生出整个悬浮隧道。接下来要想明白的是支撑着整个研究向前发展的是什么?

       支撑(Supports)
       如果悬浮隧道只有手掌般大,我们的研究方法就是造几百个原型(prototype),在测试和体验中不断地优化升级,在PDCA的楼梯上螺旋上升。然而我们的资源相对于气势恢弘的悬浮隧道而言是很有限的,几乎连一个原型都无法建造,更不要谈去激励它,测试它,而问题和挑战却望不到底,用有限的资源试错(trial-and-error)无限的可能只会财尽人散,所以我们需要不用原型却仍然能够了解原型的途径,这个途径就是原型的替代品:模型。模型就是我们研究的第一个支撑,模型又分为触不到的(intangible)和触得到的(tangible),前者心生,后者双手造,工程师们把它们分别叫做数学模型和物理模型。
       研究的第二个支撑是工法。满足人类所有的需求的但却无法或非常难被制造出来的悬浮隧道方案是缺少吸引力和社会价值的方案。所以对工法的平行研究是必不可缺的。
       以上,确定了研究的主线是结构与风险,研究的支撑是数学模型与物理模型和工法。接下来,我们要对它们进行逐个的讨论。我们的讨论不是讨论如何研究悬浮隧道,而是退后一步(step back),讨论当我们研究悬浮隧道的时候我们是在做什么。

       结构(Form)
       类似《谋划沉管》中的设计方法,作为人类的我们倾向于一次只思考一件事,所以为了透彻地看清庞大的悬浮隧道的结构与其风险之间的关联,我们要把悬浮隧道的结构分解成单元,如有必要,再把单元分成子单元。我们对每个单元或子单元进行略微的改变,来观察这个改变是如何影响悬浮隧道的安全体验的。用这种方法,我们开始逐渐地懂得了悬浮隧道的脾性(character)。需要注意,安全体验是人的判断与感觉,悬浮隧道的结构单元是物或物性,两者间如何互通?我们借用数学作为两者互动的齿轮。举例来讲,下面的这四个公式(部分)揭示了悬浮隧道的安全体验的本质,也许世界上任何一种语言都无法超越数学的精致表达:

δ — 变形

(∂^2 δ)/(∂t^2 ) — (∂^2 变形)/(∂〖时间〗^2 )
       (∂^3 δ)/(∂t^3 ) — (∂^3 变形)/(∂〖时间〗^3 )
T ̅/T — 被水包围着的悬浮隧道结构的固有周期/外界作用的周期或持续时间

 第一个公式,结构的变形决定了结构的内力,这是结构工程师所熟知的;但是,变形也可能影响悬浮隧道内行人的体验,想象我们在隧道内开车,如果前方的一段沉了下去或升了起来,导致我们看不见前面的路,我们就会慌。第二个公式把结构的变形对时间求了两次导数,得到了加速度,加速度引起晕船、晕车,如果结构设计得不合理,我们也会晕悬浮隧道。第三个公式把结构变形对时间求了三次导数,得到了加速度的变化,最近的研究表明这个值也会引起人的感觉。第四个公式是检查悬浮隧道结构的固有频率与周边自然力如波浪与海流(及其在隧道周边的漩涡脱落)的周期或持续时间是否接近,我们要避免两者的合拍也就是要避免自然之音让悬浮隧道发生共鸣。
       如果我们知道了悬浮隧道的单元变化与整体的安全体验的全部关系,就看到了一幅完整的画面,通过知识的累积得到了解放获得了自由,创意可能会来临,或者至少是,有能力找到各方面平衡性最佳的解决方案。随着悬浮隧道研究的进程,完整的拼图正在我们的眼前逐渐的显现。

图 拉锚式悬浮隧道的结构单元与安全体验的关联-2018年初认识

模型(Model)
       我们需要的悬浮隧道的模型与工程用的模型是不同的,因为其目的,不是为了得到数字,而是为了得到可得到数字的工具,而且要看穿数字,看到数字背后的本质。没有模型的我们只知道我们知道什么和不知道什么,有了模型的我们有可能知道我们还不知道我们不知道什么,也就是在问题还没有被提出时,就要找到答案。
       悬浮隧道的原型缩小(并简化)后是物理模型,物理模型的抽象后是数学模型,数学模型经过物理模型的校准后再放大来预测原型。我们只能采用这种委婉的方式来了解悬浮隧道,是因为直接造出原型并做测试的代价太大,不具备可持续性。但这种方式有一个缺陷:尺寸效应。尺寸效应将影响我们的理解力和判断力。悬浮隧道是被流体包围着的固体,流体和固体均存在尺寸效应。港珠澳大桥岛隧工程的沉管隧道的第一个管节在浮运时不进反退千米,我们将实测数据与小尺寸的物模试验的结果进行了比较,发现了流体力在不同比尺时的巨大差异;在沉管隧道最终接头三明治结构的设计和施工中,由于比日本三明治结构的荷载更大,结构尺度更大,也对结构的尺寸效应风险做了专门的预防措施。
       面对尺寸效应的干扰,一种对策是把研究分阶段进行,当前我们将物理模型试验分了三个阶段,机理试验、参数试验和验证试验。机理试验主要解决结构发展的方向问题,因此可以基本避开尺寸效应的干扰。参数试验一定要确保模型与原型的缩尺不能太小,从而确保试验得到的参数可用于直接建立原型的数学模型,或者至少可以通过外推来建立原型的数学模型。验证性试验则是最后阶段的试验,来最终确保结构体系的健壮性和完整性。这三个试验相互联系,彼此的界限不必分得很清,但是三者的目标分别是指导工程的概念设计、初步设计和详细设计。
       当数学模型的结果无法对上物理模型时,应当庆幸,因为这个惊喜没有留到悬浮隧道实施的那一天,新的现象和理论有可能因此被发现。工程师的力学知识很可能已经无法用来解释这些差异,工程力学毕竟只是力学的特殊形式,需要更广义的力学来帮助加深对问题的理解,我们甚至需要靠近一点,再近一点,进入微观的世界来找到差异的根本原因。因此工程师应当看清自己的局限,必要时向基础学科特别是数学和物理学请教和求助。

       工法(Construction methodology)
       我们不能声称研究了悬浮隧道除非我们知道悬浮隧道是怎么施工的;我们不能声称研究了悬浮隧道的某个部分除非我们知道这个部分是怎么造出来的。有时候我们会情不自禁跳入很细节的问题开展研究,并相信这是为了提高效率。实际上,在悬浮隧道研究的一开始就平行地开展施工工法的研究有利于缩短研究周期和降低总体费用。
       港珠澳大桥岛隧工程发展了14套外海沉管隧道安装作业系统,其中一些经验可转化给悬浮隧道,同时,借鉴其它行业的先进技术例如外海工程和石油工程,来丰富和发展最适宜悬浮隧道实施的风险最可控的工法。

       多样性(Diversity)
       主线(结构)向前推进将带出更多的研究需求,副主线(风险)也提出一些深层次的需求。中交联合研究组当前将悬浮隧道的研究划分成了14个专题,结构和风险只是其中的两个。这14个专题又根据需要细分为子专题,每个专题都制定其特色的研究方向和大纲。由8家来自世界各地的产学研单位根据自身优势进行独自、联合或平行地研究。
       研究成果多样性大,因此需要具有极强统筹能力的研究总体组来指导研究方向和推进研究工作。经历了港珠澳大桥岛隧工程的跨专业、跨学科和多挑战的历练的总体组对这种系统问题有较强解决能力,但是仍然在不断地学习进取,并成立技术专家委员会,委员会成员精选自全球各领域的工程师或学者,有的人有着40年的悬浮隧道研究设计经历,我们定期地和专家们开会、讨论问题,以尽可能确保研究方向的正确性和成果的高质量。
       过去,研究者在图书馆借书时希望隐匿姓名,因为害怕别人琢磨出了自己的想法从而研究成果被别人占先和曝光,这种担忧在同一个组织的同一个部门中也并不罕见。现今很多论文的发表周期长达1年,如果只有当论文发表了以后才将研究成果完全公开,很多研究成果的发布就会有很强的时间滞后效应,对团队有启发意义的独到的见解和高含金量的发现不能及时地在研究组内部流通,这是非常不利于团队的多样性的发展的。因此,总体组已经开发了网上文件系统,每个人的发文和观点都能被很好的记录、编号和追溯,并与其它人的文件一体化,如果我们注意尊重原创,书写新文件时注意致谢和出处,这个问题也能迎刃而解。

       准则(Criteria)
       如果我们的目的地是在2021年研究出可实施的悬浮隧道方案,准则就是到达目的地的地图。准则是集体的智慧为个人书写的理性的备忘录。学而不思则罔。随着研究的深入,准则也不断升级,同时准则又提醒我们在有限的范围内研究值得研究的问题,并启发思路。我们的准则初版建立在过去的挪威及日本悬浮隧道研究者的智慧总结之上,并根据工作体会进行了一次升版。例如,第一条准则是世界上第一条建造的悬浮隧道一定要具备安全体验;第十条是结构的细节应简单,设计成不出现大的应力集中的形式;第十六条是应避免缆索的松弛和弹震以及第十六点三条截面上的缆索的接入点的布置,应确保隧道在发生横向、竖向位移时,缆索拉力的回复力矩为零或最小;第二十一条是拉锚式悬浮隧道的浮重比应足够的小使得锚固系统可实施。

       小结:我们怎样研究悬浮隧道
       以结构和风险为主线,以工法和模型为支撑。通过物理模型发现未知、掌握机理和获得参数,通过数学的严谨来推导和认知悬浮隧道的真实个性。工程学面对这种超前的问题存在局限性,因此需要向基础学科请教与合作。产学研结合、国际合作以及规范化的工作平台和流程为研究的多样性和时效性提供了保障。学术委员会的成立将更加保障研究的方向和出品质量。

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责任编辑:editor

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