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立交桥见多了,但这种水下立交系统你肯定第一次见到
作者:须臾千秋,清华大学土木工程博士 发布时间:2018-12-17 浏览次数:35 

       生活在城市中的人,对立交桥一定不陌生,桥梁在空中上下分布数层,车辆各行其道。但你有听说过水下立交系统吗?

  南昌红谷隧道中就含有全国最大的水下立交系统,它是国内江河规模最大、最长的过江沉管隧道工程,主线全长2650米,沉管长1329米,共12节管节,双向6车道,是世界在江河中游修建的首座沉管隧道。

  通过这条隧道,仅用3分钟即可穿过赣江,极大地缓解了赣江两岸的交通拥堵。


  (红谷水下立交系统)

  (一)什么是水下立交?

  红谷隧道面积约5万平米,由3进4出共7条匝道组成,以“5Y+3X”形式在地下形成多处互通立交,实现过江隧道内车辆的多点疏解和快速分流,在水下实现了过江隧道与赣江两岸道路网的全面快速对接。

  水下立交本质上与地上立交的原理是一样的,都是为了解决交通流各行其道的问题所设置。只不过水下立交不是通过一座座桥梁修在地上,而是通过沉管隧道修在水下。

  在南昌,赣江东岸老城区的人口十分密集,交通拥堵现象十分严重。这些许许多多的道路中的车流都要通过同一条隧道来到西岸,车流之间还要尽量减少相互干扰,立交系统是最好的选择。

  不过,赣江东岸的可用土地十分狭小,没有足够的空间修建地上立交桥,因此只能与隧道一起修在地下。


  (水下多层叠加的Y字型通道)

  这样的立交系统看起来好像也没什么难度?当然不是。

  作为国内首个江河中游的沉管隧道,红谷隧道从论证到建成总共花了14年的时间,其设计和施工难度可想而知。


  (施工中的地下立交)

  (二)什么是沉管隧道?

  沉管隧道是在水底隧道的一种,它与一般的挖掘式隧道不同,是将若干个预制段分别浮运到海面(河面)现场,并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内,以此方法修建的水下隧道。

  隧道管段先在船台上或干坞中用钢筋混凝土制作,管段两端用临时封墙密封后滑移下水,使其浮在水中,再拖运到隧道设计位置。定位后,向管段内加载,使其下沉至预先挖好的水底沟槽内。

  随后,管段逐节沉放,并用水力压接法将相邻管段连接。最后,拆除封墙,使各节管段连通成为整体的隧道,并在其顶部和外侧用块石覆盖,以保安全。


  (沉管法隧道施工示意图)

  沉管法多用于在河底、海底等土质松软、不易挖掘的地段建设隧道,驰名中外的港珠澳大桥的隧道段就是典型的沉管隧道。

  相比起普通的挖掘式隧道,沉管隧道对施工精度的要求极高,在水下几十米的巨大水压下,区区几毫米的误差就可能导致严重的渗水。这使得沉管隧道的施工有着极高的技术含量,绝非一般的施工企业可为。


  (沉管隧道)

  (三)隧道管节如何运输?

  红谷隧道的过江段总长1329米,分为12个管节,每节标准管节长度115米,宽30米,高8.3米,重达2.8万吨,每节沉管相当于半个辽宁号航母。沉管顶面水深12-20米,施工沉放中,除测量塔外,其他部分都将没入水下,属于深水沉管对接。

  沉管采用现场预制,预制厂位于隧址上游约9公里处。每预制一节后,浮运至隧址,然后完成对接。

  从预制厂浮运至隧址需要通过三座大桥:生米大桥、朝阳大桥、南昌大桥,桥面宽度约30-40米,浮运前需要专门开挖航槽。在浮运中,每节沉管由5-6艘拖轮左右拖运。

  在沉管浮运对接过程中,测量组负责所有的沉管浮运定位、对接定位、航道水深测量、水文测量等工作。


  (拖轮拖运沉管)

  为了节约成本,浮运航道开挖较窄,所以浮运过程中需要严格按照设计路线行驶导航,尤其是通过南昌大桥时,桥孔最大宽度62 米,通过时,两侧最大富余宽度仅6.9米,航行一旦出现偏差,碰上桥墩会造成十分严重的后果。所以项目对浮运过程中导航定位提出了很高的技术要求。


  (浮运航道平面图)

  在拖运中,平面定位误差必须小于2分米,对全部拖船及沉管同时显示真实位置,相互可见,全部导航信息图形集中传输到控制室,也就是主船驾驶室内,统一指挥。

  此外,还要实时显示沉管、水下地形、航道边线、大桥等辅助信息,实时显示沉管及各拖轮的航向、航速、艏向,警示距离等航行信息。

  为了提高定位准确性,红谷隧道工程还进行了许多创新。项目部自主研制了专门的多源数据的水上水下导航定位软件,实现了无人值守局域网多船互操作和广域网数据分发技术。基于工业无线网桥和专门开发的客户端软件的软硬件配合,通过自定义数据传输协议和信息信道,实现了多船的测量数据共享和指挥命令协同,便于现场统一指挥,并实时记录和回放。

  当拖船进入桥下时,GPS会被大桥遮挡处于盲区,无法接收到卫星信号,此时需要切换到另一种定位模式——惯性导航。再通过软件中的卡尔曼滤波技术,保证航迹的连续和很高的精度,直至完全通过大桥后再切换至GPS模式。软件中,将航槽、水深、地形、水流、潮位、大桥等信息全部显示在屏幕上,为决策者提供足够的导航信息,并提供危险距离预警机制。


  (红谷隧道的沉管)

  (四)沉管隧道如何水下对接定位?

  深水大型水下沉管对接定位,就是将在装的沉管与前一节已装的沉管对接面完全对接起来,并保证沉管的纵倾、横倾,中轴线、立轴线对齐,完全符合设计要求,精度在3.5厘米以内,这一技术目前是世界性难题(在水下受到非稳态水流等作用,实现两个重达2.8万吨,长110米的庞然大物的精准对接,难度可想而知)。

  为了实现精准对接,项目开发利用了许多创新技术,研发了国内首个专用于内河大规模沉管隧道施工、满足浮拖及对接全过程需求的综合辅助决策系统——全景智能化水上水下导航定位系统。

  这一系统在软件功能、数据组织、显示效果等多个方面均优于国内外现有软件系统,场景全要素回放和无人值守局域网多船互操作均为利用最新技术针对新问题的解决方案,为国内外同行业首次实现。


  (管节沉放可视化监测软件示意图)

  在沉管的安装过程中,四面八方都架设有许多传感器,这些传感器可以动态地向人们汇报隧道沉管的位置偏差、沉降情况,水流的变化也可以得到实时监控。最终,这些数据可以汇总起来,形成可视化的隧道安装监测情况。

  这样,尽管人们很难直接看到沉管的沉放,却可以通过这个系统间接地掌握沉管的施工进展,极大地提高了施工精度。

  通过施工中的多层把控,红谷隧道得以具有断面布置形式灵活、断面利用率高、地层适应性强、结构预制质量可控、结构及接头防水性能好、结构安全性高等优点。隧道不但能滴水不漏,而且其抗震烈度可达7级,对于南昌这个非地震带城市而言绰绰有余。

  (五)红谷隧道内如何保障安全?

  在建成后的运营过程中,红谷隧道的安全系数也同样相当高。

  隧道内南北两侧车道共设有52个疏散口及一个应急疏散大厅,遇到突发情况,群众可通过这个可同时容纳近500人的疏散大厅的爬梯到达隧道东岸沿江快速路旁的赣江风光带地面。


  (隧道中的紧急出口)

  此外,群众还可以通过隧道内最近的横向疏散通道前往另一侧隧道逃离或等待救援。隧道上方还沿途架设有消防喷淋系统,出入口都设置了排水系统,可以在火灾的第一时间对火势进行控制。

  隧道入口处还设有智能限高架,平时禁止装载有易燃易爆物品的车辆入内,安全系数很高。


  (水下疏散大厅)

  而且,为了预防事故发生,隧道的匝道内限速50公里/小时。

  结语

  2017年7月7日,红谷隧道建成通车,通车后可分担南昌大桥30%、八一大桥11%的车流量。有了红谷隧道的畅通连接,赣江西岸的经济迅速繁荣了起来,极具地理优势的红谷滩新区已成为金融机构纷纷布局的沃土,交通便利性的提升拉近了各区域与主城的距离,提高了这些区域的综合成本竞争优势,给地区发展带来机遇。

 
 
 

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