水中懸浮隧道初期研究設計

潘玉龍

（聊城大學 建筑工程學院，山東 聊城 252059）

水中懸浮隧道（Submerged Floating Tunnel，簡稱SFT），即阿基米德橋，是由意大利西西里的阿基米德輪渡公司聯(lián)合挪威道路研究實驗所共同提出的一種新型結構形式。一般由懸浮在水中一定深度的管體結構、水下基礎、支撐系統(tǒng)、管體之間的接頭及與兩岸相連的駁岸結構組成。

水中懸浮隧道吸引了許多國內外學者去探索研究，像中國、挪威、意大利、美國、日本等國的學者對此研究較為深入，水中懸浮隧道具有自身的特點及難點，不同的國家或水域可能存在不同的困難與問題。類似于臺灣海峽海底隧道的修建，島嶼眾多的希臘學習水中懸浮隧道技術，以求加強各島嶼之間交通聯(lián)系，西班牙和摩洛哥研究水中懸浮隧道以加強直布羅陀海峽之間的經濟往來。

我國經濟的快速發(fā)展，沿海地區(qū)的經濟發(fā)展迅速，隨之而來的經濟建設、開發(fā)海資源的需求將會越來越高，改善和提高通過隔海兩地的交通能力問題也會日益突出。而我國有著18 000 km 的海岸線，沿海分布著5 000 多個島嶼，還有許許多多?？诤透蹫?，在這些地方建立快捷的交通通道迫在眉睫。值得注意的是，水中懸浮隧道對于解決大陸與島嶼的交通聯(lián)系，近海地區(qū)的交通方式等有很高的研究價值，可以有效提高經濟發(fā)展。我國雖起步較晚，但有可能成為世界上首個建造水中懸浮隧道成功的國家。

據國內外研究顯示，水中懸浮隧道尚未完全形成完備的體系，特殊情況下隧道材料選擇、在復雜條件下施工建設安全、風險評估等工程技術問題。

1 水中懸浮隧道類型設計

水中懸浮隧道的建設的技術核心在于隧道的動態(tài)控制和結構安全。其中，水中懸浮隧道的類型是初期研究設計中不可忽視的一個環(huán)節(jié)，不同類型的設計可能會帶來不同的動力響應，其相應的結構安全設計要求也不同。根據當前國內外研究現狀分析，水中懸浮隧道的類型大致有以下幾種：

1.1 浮筒式結構

浮筒式結構是通過控制隧道管體截面的壓艙荷載以及密實孔隙比值，使管道承受的浮力比重力小，在力的作用下，隧道有下沉趨勢，再采用錨索與浮筒鏈接，以達到平衡保證整體的穩(wěn)定性。浮筒式結構設計在水流平緩，波浪浮冰較少，同航量較少的水道中應用較多，這一結構形式不受水體深度的影響，但此結構僅能對隧道提供豎向約束，而對橫向約束較弱，在運營期間可能存在一定的影響。

1.2 錨索式結構

錨索式結構是通過控制隧道管體截面的壓艙荷載以及密實孔隙值，使管道承受的浮力大于重力，在浮力的作用下，其有上升的趨勢，再采用錨索將水中懸浮隧道與海洋底部的固定基礎相連接，提供一個反向拉力，以達到力的平衡保證整體的穩(wěn)定性。錨索式結構一般應用于水流湍急或環(huán)境更加惡劣的海洋環(huán)境中，其獨特的靈活性，可以修建在深度變化范圍大的海域，鉚索可以一定程度克服深度變化帶來的動力響應，做到良好的動態(tài)控制，但其受渦激振動影響，壽命縮短，容易發(fā)生疲勞損壞而影響整體使用。

1.3 剛性樁結構

剛性樁結構是通過控制隧道管體截面的壓艙荷載以及密實孔隙值，使管道承受的浮力比重力小，在重力作用下，其有下沉的趨勢，通過剛性樁的固定，使隧道可以懸浮于海洋中，保證其穩(wěn)定性，類似于海洋中的橋梁。剛性樁結構一般設計在深度不大的海洋環(huán)境中，考慮其設計與橋梁類似，對于力的傳遞等比較明確，設計較為方便，由于需要對樁體進行更高要求的固定，所以對所在環(huán)境的土質、水體要求較高，前期選址設計花費時間長，工程難度較大，造價變化相應較大。

2 水中懸浮隧道斷面設計

斷面形式是水中懸浮隧道在設計過程重最需要考慮的因素之一，無論是斷面的內部還是外部設計必須具備最優(yōu)的尺寸和形狀，以保證整體的穩(wěn)定性。例如，在斷面的內部需具備充足的空間以供車輛或行人通行，保證有足夠的空間安置各種交通設備以及逃生、通風通道等所占的空間，都必須計算在內，以保證結構的穩(wěn)定性。根據國內外現有的研究分析水中懸浮隧道設計方案中主要采用以下幾種斷面形式：

2.1 圓形斷面

圓形斷面是目前國內外設計方案中出現最多的一種形式，其類似于傳統(tǒng)的隧道形式，空間較大，可采用單層直通設計或雙層的設計，例如，意大利的圓形斷面內部采用雙層設計，將內部空間進行劃分，不同的空間進行類似的工作，增大了空間，交通更加便利且擁堵情況可明顯減少，采用了不同材料組成的外殼做支撐結構。

2.2 矩形斷面

沉管隧道中常用矩形斷面的設計形式，水中懸浮隧道一般不應用矩形斷面的設計，因其難以達到最大效益。但也有國家仿照沉管隧道的形式，采用矩形斷面如，日本Oinaoshi 水中懸浮隧道設計方案，采用了矩形斷面，將一個海岸與人工島進行連接，建立一個通道以供車輛或人員通行。但規(guī)則的矩形斷面往往會帶來更大的水動力壓力影響，甚至出現集中應力現象，造成結構的破壞。應采用在斷面周邊增加附屬結構的方法，應對特殊條件影響下的結構穩(wěn)定性問題。見圖1。

圖1 矩形斷面

2.3 橢圓形斷面

橢圓形斷面相較于圓形斷面，其斷面利用率較高，受水動力的影響較小，在跨海隧道的建設中有廣泛應用。例如，韓國采用橢圓形斷面的設計方案進行跨海交通方式設計，并在水中懸浮隧道內部設計了中間供人員通行及通風設計，兩側設計了供鐵路通行的雙向通道。見圖2。

圖2 橢圓形斷面

2.4 多邊形斷面

多邊形斷面設計常用于多種交通方式組合使用，例如鐵路公路兩用，且斷面周圍空間可以設計安全通道或設置其他安全設備。例如，意大利Messina 海峽采用多邊形斷面的設計方案擬建水中懸浮隧道，采用了兩種交通方式組合的形式，斷面周圍的空間可以很好地減輕自重，以保證內部空間的穩(wěn)定。中國的金塘海峽也擬采用多邊形斷面的方案設計水中懸浮隧道，以充分利用斷面周圍空間來設計安全通道、救援通道等。見圖3 。

圖3 多邊形斷面

2.5 組合斷面形式

組合斷面是由各種斷面形式組合而成的斷面結構。例如，日本北部灣擬建的水中懸浮隧道，內部采用圓形斷面設計，設計形式多樣，外部橢圓形斷面設計，斷面周圍設置多種用途的空間，兩種斷面形式結合，既高效又節(jié)省資源。

國內外學者針對于水中懸浮隧道的斷面形式，對不同的斷面形式進行研究、分析，通過更加深入的研究以得到不同斷面形式最適宜的設計方式。劉宇等在流勢理論計算與結構物之間的相互作用的基礎上，用與水平兩個方向垂直的線性彈簧來代替錨索結構，以建立二維模型的方案對其進行簡化模擬，并采用數據分析計算方法，對比圓形、矩形、橢圓形以及雙圓形等五種不同斷面形式的響應分析，得到如下結論：不同形式的斷面針對于不同的入射波波頻運動響應差異明顯，垂直方向圓截面的唯一變化為平緩，而水平方向橢圓截面位移變化平緩且位移值較小，綜合兩個方向而言，橢圓截面更加穩(wěn)定。

羅剛等針對于水中懸浮隧道斷面選擇的合理性展開研究，通過模擬實驗，對圓形、矩形、橢圓形、多邊形等五種斷面形式進行比較，以分析各種斷面形式在相同的外界條件影響下，如地震帶來的水動力影響得出，耳形斷面的設計更為合理，其具備更好的穩(wěn)定性，受周圍外力的影響較小，更有利于水中懸浮隧道整體的穩(wěn)定性。

項貽強等在水中懸浮隧道的研究中，認為斷面形式的選擇應根據實際的情況進行數據分析去選擇，如根據運營目標、設計荷載、通行量等，考量所在環(huán)境的情況，選擇適宜的材料，綜合考量整體的耐久度，抗震性等。同時考慮最大限度滿足通行要求，可采用多種交通方式組合形式，主要采用圓形截面和橢圓形截面的水中懸浮隧道，整體由管體結構、水下基礎、錨索及兩岸的支撐等組成，并在內部周圍空間設置通風、排水、逃生等通道，以應對突發(fā)事件的發(fā)生。

3 結語

就目前國內外研究的熱點程度來看，水中懸浮隧道獨特的優(yōu)勢，決定了其未來在隧道工程發(fā)展中的地位。針對水中懸浮隧道設計的關鍵問題，綜述近年來國內外水中懸浮隧道斷面結構形式、水中懸浮隧道在一定條件下的動力響應情況、水中懸浮隧道抗震技術及水中懸浮隧道適應性、穩(wěn)定性等方面的研究進展研究工作取得了一定的成果。由于能力有限，提出的一種抗震減震效能節(jié)點裝置仍有許多新問題需要解決，需要在實際應用中不斷完善。在水中懸浮隧道的斷面形式設計方面，斷面形式的選擇對隧道整體的受力以及振動影響特別大，在近幾年的研究中，浮重比的概念意義重大，所以斷面形式的設計需要根據選址地點的不同，各種環(huán)境條件都需要考慮周全，最大程度利用各種斷面的優(yōu)點進行組合設計，以求達到經濟效益最大化并具有高度的結構整體穩(wěn)定性。