水中懸浮隧道概念設計及動力分析理論與模型試驗進展

蔣樹屏， 李勤熙

(1. 重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074； 2. 招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067；3. 重慶市萬盛經濟技術開發區交通局， 重慶 400800)

0 引言

近年來，隨著水下隧道的建設水域逐漸由地勢平坦的江河向溝槽發育的海灣和海峽發展，傳統建設工法在復雜水域面臨著巨大挑戰，需要不斷突破和創新。“鉆爆法+盾構法”、“沉管法+懸浮法”或“盾構法+沉管法”等組合工法已成為工程建設的備選，特別是水中懸浮隧道，靠浮力和錨索張力保持動力平衡的特殊水中交通結構，現已成為世界各國重點研究的方向。在某些難以修建隧道或橋梁的地方，SFT可以作為解決通過窄而深的海峽、湖泊和河流的交通方案。SFT的設計概念在1966年首先由挪威人提出，但至今為止，世界上仍沒有一例真正建成的SFT。

SFT概念自提出以來已得到越來越多的關注，這與其本身所具有的特點是分不開的。圖1示出了SFT與傳統橋梁和隧道的區別。

(a) 橋梁

(b) SFT

(c) 沉管隧道

(d) 水底隧道

圖1 SFT與傳統橋梁和隧道的對比

Fig. 1 Comparison between SFT and traditional bridges and tunnels

與傳統橋梁和隧道相比，SFT有如下優點[1]：

1)SFT由分段管節連接而成，受水深和跨度的限制小，且單位長度的造價不隨跨度的增加而增加。

2)SFT處于水面下一定深度，受水面惡劣氣候影響小，并且不影響水面交通，也不會破壞水面上的自然景觀。

3)與水底隧道和沉管隧道相比， SFT在穿越湖泊和海峽時的水深更淺。這將大大降低隧道的縱坡和長度，且不需要進行大規模挖掘，既降低了建造的經濟成本，又減少了汽車尾氣的排放，環保優勢明顯。

4)SFT通過錨索與地基相連，地震等沖擊荷載通過基礎和應力波由水間接作用在SFT結構上，有消能和緩沖效果，而對于水底隧道和沉管隧道，沖擊荷載則直接作用在隧道結構上。

上述這些獨特的優勢使SFT成為跨越海峽和湖泊的一種極具競爭力的固定交通方案，在某些深水環境中甚至是唯一可行的方案。

對于SFT的實際建設和使用，目前仍然有許多問題亟需解決，文獻[2]曾提出：“誰將第一個建造SFT？”從SFT的研究來看，挪威和意大利在設計理論、計算研究方法、模型試驗和施工指南等方面有長期建樹，基本形成了一套以精細化計算為基礎和模型試驗為保證的理論成果。國內對懸浮隧道的研究盡管起步較晚，但研究進展迅猛，研究的內容涉及廣泛。綜上所述，世界各國研究者的工作主要涵蓋了SFT的工程概念設計、結構動力分析理論和模型試驗等方面。

1 SFT概念設計進展

比較完整的SFT初期設計構想最早由英國的Mr.Granl提出。在此基礎上，各國結合自身的不同情況，針對本國海峽，提出了各具特色的SFT設計方案及初步施工技術。

開展SFT工程技術研究的歐美國家主要有意大利、挪威、瑞士、希臘、西班牙以及美國。1984年，在意大利注冊的阿基米德橋公司針對墨西拿海峽提出了鋼-混凝土-鋼三明治管節模型SFT方案，后又于1996年先后提出Consortium ENI模型(鋼-混凝土-鋼圓形結構斷面)和Sirprogetti模型(外鋼管+內殼結構)。Faggiano等[3]首先分析了傳統懸索橋、斜拉橋的外荷載和纜索體系構成等方面的特點，并指出懸索橋和斜拉橋所受荷載的特點與SFT所受外荷載的特點有一定的相似性，進而認為可以將傳統意義的懸索結構形式改進后應用到SFT中，得到一種改進的“倒懸索橋(cable supported immersed inversed bridge，簡稱CSIB)”SFT方案。研究表明： “倒懸索橋”相比于傳統的SFT支撐體系具有明顯的優勢，認為“倒懸索橋(CSIB)”作為SFT方案具有潛在應用的可能。

1996年挪威針對跨H?gsfjord峽灣懸浮隧道提出張力腿式、浮筒式和柱式等多種模型。Larssen等[4]推薦采用浮筒式SFT跨越，針對挪威峽灣水深面寬的特點，介紹了4處挪威綜合利用水下空間和籌建水中SFT的情況，其中重點介紹了挪威H?sfjord峽灣的4種設計方案。文獻[3]指出： 在峽灣水深較大時SFT設計需要考慮采用何種隧道結構外形及構造以使結構獲得足夠的剛度，經分析后選擇了浮筒方案作為推薦方案； 在中度水深可以采用錨固于海底的斜拉張力腿，同時增加結構的水平剛度及豎向剛度； 另外，針對SFT水動力響應和一階及高階風浪力作用做了說明； 最后，簡要介紹了Storfjord峽灣、Nordfjord峽灣和Sognefjord峽灣的初步設計方案。2016年，挪威針對Sognefjord峽灣SFT工程提出了一個投資超過250億美元的劃時代宏偉計劃，借鑒盾構隧道的雙管節設計，SFT由2個長度超過1 200 m的管節組成，如圖2所示。

在亞洲，日本從1990年開始對大阪灣和噴火灣SFT展開研究。Kanie[5]總結了日本近20年在SFT領域的相關研究進展，并針對日本擬建跨海通道的多處海峽開展了工程可行性探索。韓國研究者針對濟州海峽水深峽寬的特點，開展了相關模型試驗研究[6-7]。印度尼西亞是臺風、地震均較活躍的地區，2009年，其針對千島群島跨海工程開展了國際合作，并提出了相應的SFT設計方案。

在中意政府SFT合作項目框架下，中國選擇千島湖作為第1個SFT項目。文獻[8]針對千島湖SFT開展了波流荷載作用下的結構動力研究，提出了錨索連接形式、錨固和接駁方式。文獻[9-10]基于千島湖SFT原型以及現場波流和地震數據，在不同工況下對原型SFT的概念設計方案進行了結構強度分析和安全性校核，指導原型SFT的細化設計。

(a)

(b)

在其他SFT項目諸如美國的華盛頓湖、瑞士盧加諾湖、西班牙直布羅陀海峽、希臘 Rion Antirion通道工程和土耳其博斯普魯斯海峽SFT中，SFT的固定方式、主體結構材料和接頭等一些施工關鍵問題均得到了一定的研究和分析。

2 SFT動力分析理論

2.1 SFT管段結構動力分析

波流荷載和地震荷載在SFT所受環境荷載中最為重要。Brancaleoni等[11]通過考慮在規則波與地震作用下固定墩和錨索式2種不同錨固形式的SFT動力響應情況，對SFT進行有限元離散，其運動控制方程為

(1)

式中：M為結構質量矩陣；Q為位移向量；D為結構阻尼矩陣，采用Rayleigh阻尼形式；q為地基反力向量；Ds為地基的阻尼矩陣；S為結構恢復力向量；Ks為地基的剛度矩陣；Fh為流體力；B為浮力向量；w為水質點速度；h為淹沒深度。

運動控制方程可以通過時域內的逐步積分求解，然后由Airy線性波理論計算得到規則波的水質點速度和加速度，再利用Morison方程計算流體力。通過計算發現，固定墩式SFT的水平和豎直位移幅值大于錨索式。因此，在SFT錨固系統的選擇上，從動力學的角度考慮，錨索連接方式要優于固定墩。

為了同時考慮錨索橫向和軸向之間的耦合變形作用，葛斐等[12]通過Hamilton原理，推導了SFT錨索和管段的運動控制方程，見式(2)。同樣，由Airy 線性波理論和Morison方程計算得到了SFT上的波浪力。

(2)

式中：u和v為錨索軸線上點的位移；ρ為錨索的密度；ρf為流體密度；A0為錨索截面積；Af為單位長度的錨索排開液體的體積；N0為作用于管段的剩余浮力(浮力與重力之差)；Mtunnel為SFT管段質量；Jc為SFT管段的質量慣性矩；φ為管段轉角；E為錨索彈性模量；I0為慣性矩；f為波浪力的函數；g為重力加速度；d為SFT管段截面直徑；l為錨索未變形前的長度；t為壁厚。

文獻[13]基于邊界元方法和波浪衍射理論，考慮不同的SFT斷面尺寸和形狀，研究了管段結構的波浪效應，并用Morison經驗公式分析評價了管段結構的阻力效應。

文獻[11-13]研究SFT管段動力問題時建立的運動控制方程雖有所不同，但求解方法一致。Kanie等[14]在波浪荷載作用下，通過考慮各種連接形式錨索的SFT結構，將SFT視為具有很大長細比的結構，取SFT的1節管段，不考慮與之相連的其他管段對該管段的約束作用； 同時，采用散射理論，運用邊界元方法，計算作用于模型上的波浪力及模型的動力響應，計算結果與用Morison方程計算所得的結果基本一致，說明當SFT管段的直徑與入射波長之比小于0.2時，采用Morison方程計算SFT結構的波浪力是合適的；另外，當考慮SFT的三維模型時，通過改變入射波與SFT軸線的夾角，研究了SFT管段結構的水平波浪力。

此后，Remseth等[15]將SFT管段簡化為圓柱形，用Navier-Stokes方程研究了SFT的流固耦合問題，考慮定常流和規則波的作用，采用ALE方法分析了流體動力，認為在有限元分析方法中， Navier-Stokes方程相比Airy線性波理論計算得到的SFT豎向位移更為理想，但水平位移差別很大。同樣，項貽強等[16]通過對懸浮隧道管體-錨索系統的簡化，采用Hamilton原理建立了管體-錨索結構動力響應模型，推導出考慮錨索橫向振動與管體豎向振動之間相互耦合的微分方程，并利用工程實例進行了求解分析。

以上對SFT管段和整體動力響應的研究中變量和控制條件比較單一。考慮到SFT這種新型結構形式的復雜性，SFT外輪廓尺寸、張力腿錨索系統剛度等重要變量與結構動力響應之間勢必存在一定的內在聯系。文獻[17-18]在SFT結構的張力腿錨索布置形式、傾角和浮重比動力響應研究中，得出了不同浮重比和不同張力腿錨索傾角與SFT在水平振幅和豎向振幅間的歸一化變化規律，并首次提出了“協同浮重比”的概念，即SFT的浮重比是關系到SFT多方面水動力特性的一個綜合性關鍵參量，為研究SFT協同考慮結構自振頻率、支撐系統張力水平、管體特征尺寸和整體造價奠定了基礎。

2.2 錨索振動模擬分析

Morita等[19]將錨索簡化為無質量的彈簧，研究了豎向地震荷載作用下流體的可壓縮性以及SFT動力響應的影響。但實際上，具有相當長度錨索的質量不可忽略。麥繼婷等[20]應用Galerkin方法和數值積分法，借用海洋平臺中張力腿的動力方程，認為錨索的變形更接近于受張力的梁。考慮到錨索的垂度效應，陳健云等[21]建立了水下懸浮隧道錨索非線性隨機振動方程，采用蒙特卡羅數值模擬法對隨機激勵作用下錨索的振動響應進行了研究。文獻[22]在研究SFT管段和錨索的地震效應時，采用三維梁單元模擬SFT管段，采用桿單元模擬錨索，計算模型示意圖如圖3所示。研究結果顯示： 具有不同錨索長度的SFT管段的動力響應差別很大。說明管段的動力響應主要由錨索的柔度決定，同時，在錨索動力響應過程中出現了較大的壓力，這在錨索設計中值得特別關注。羅剛等[23]討論了錨索質量比、阻尼比、來流速度以及是否考慮流向運動對錨索橫向渦激振動的影響，對錨索渦激振動的相關誘因進行了分析，并采用模態疊加法對影響錨索渦激疲勞損傷的相關因素進行了深入研究。

圖3 計算模型示意圖

文獻[24-25]總結了近10年中國科學院力學研究所在水中SFT結構完整性和動力特性方面的研究進展。研究團隊依托千島湖SFT原型橋項目，進行了前期現場調查、室內模型試驗以及理論計算工作，研究了SFT大長徑比(長度與直徑之比不小于100)張力腿錨索在不同流速和預張力條件下的渦激振動。模型試驗和數值計算結果均表明： SFT錨索的渦激振動呈現出與典型渦激振動完全不同的特征，錨索的振動頻率沒有發生“鎖頻”共振，而是隨著流速的增加線性增大，振動模態階數隨流速增加出現階梯狀增大。

目前已有的SFT環境荷載作用下錨索動力響應研究中，建立的動力學模型沒有考慮錨索的變形，且把錨索簡化為無質量的彈簧或只能承受拉力的桿單元。而從已有的SFT概念設計中可知，錨索的變形特性更接近于受張力的梁，不僅具有軸向剛度，而且還有彎曲剛度。目前僅有國內的麥繼婷和葛斐等對這個問題做了初步探討。在波流場中，錨索的運動和SFT管段的運動是相互耦合的，目前對這種耦合模型的動力學特性研究還較少。因此，對SFT在波流場中的動力特性和動力響應的研究，不僅在理論上有著重要的科學意義，在工程上亦有較大的應用價值。

3 模型試驗

SFT作為一個新型水中跨越交通結構，開展不同縮比的模型試驗對SFT的實施很有必要。表1示出國內外SFT管段模型試驗參數。根據統計來看，SFT管段模型試驗既有二維水槽試驗，也有水池試驗； 研究斷面主要集中于圓形，橢圓、耳形等類圓形以及多邊形結構的模型試驗研究還不多； 從研究的環境荷載來看，試驗荷載主要集中于波浪、洋流和地震荷載。

國際上普遍的共識是： 當水位在一定深度(大于40 m)時，SFT管段主要受洋流影響，波浪力的作用很小，可忽略不計。干湧首次開展了SFT的靜水荷載試驗，測試了管段在靜水荷載作用下的空間應力分布。為了解洋流作用下SFT錨索的運動特性，晁春峰等[26-27]開展了SFT錨索流固耦合振動節段模型試驗，觀察到了錨索渦激振動現象，并通過參數分析發現，圓形錨索傾斜布置有利于降低渦激共振的不利影響； 同時，開發了抑制錨索渦激振動的裝置； 然后，又進行了SFT整體沖擊響應模型試驗。西南交通大學周曉軍團隊設計建造了可調節流速的試驗水池，用以研究SFT管段的運動特性。王長春[28]利用室內管段模型試驗，對洋流和懸浮隧道管段進行了流體-結構耦合模擬。王廣地[29]和秦銀剛[30]進行了SFT結構節段模型試驗，研究了水流作用下SFT結構的空間應力和錨索軸力分布規律，試驗中水流速度和模型裝置的安裝精度對測試有較大干擾。文獻[31]開展的均勻流條件下的試驗更具有說服力，也更加精細化。均勻流模型試驗簡圖如圖4所示。在二維水槽試驗中發現，隨著流速的增大，液體流態轉變為了湍流，模型隨之發生了隨機振動。

表1 國內外主要SFT管段模型試驗參數

(a) 俯視圖

(b) 側視圖

對工程而言，一方面，如果在實踐時僅采用SFT方案，那么必然存在進口段、過渡段和深埋段，無論是表面波還是海洋內波的波浪力都會對進口段和過渡段產生影響； 另一方面，如果采用組合式工法，就必然存在接駁問題，那么就必然需要衡量波浪力的大小以確定最佳接駁位置。因此，從理論和工程技術來看，波浪力非常值得研究。事實上，海洋中不僅有表面波，還存在海洋內波，它在超過100 m的水深下仍具有很大的破壞力。根據麥繼婷等[32]和Kunisu[13]的研究可知，海洋內波隨著埋深的增加其絕對值雖然會減小，但減小幅值越來越小，在相當深度下還保持著很大的數值，這在文獻[33]的研究中得到了證實。

日本、韓國是海岸線漫長的多島嶼國家，兩國研究者主要致力于峽灣或淺海地區SFT在波浪作用下的運動特性研究。日本的Kunisu等[34]通過在一個二維波浪水槽中產生規則波浪，然后通過改變試驗水深、波浪要素以及結構浮重比進行了工況組合試驗。規則波模型試驗簡圖如圖5所示。通過試驗發現，慣性力是SFT管段上波浪力的主要部分，入射波高對錨索拉力有顯著影響，浮重比對結構的穩定脫落性十分重要，但試驗并未發現流體的旋渦現象。日本學者Fujita等[35]進行了淺水中懸浮隧道的模型試驗，認為錨索張力隨著規則波周期的增加而增加。韓國的Oh等[6]和Seo等[7]也通過波浪水槽中的規則波物理試驗研究了SFT在波浪作用下的水動力特性，發現錨固系統對結構的運動位移有著重要影響，其中，文獻[6]在試驗測試中使用了運動圖像識別技術，有效避免了試驗測試裝置對結構運動位移的約束。

圖5 規則波模型試驗簡圖(單位： mm)

Fig. 5 Sketch diagram of experimental model of regular wave (unit: mm)

以上波浪研究結果均基于規則波試驗。由于規則波只有一個特定周期，試驗結果一般不穩定，有時共振結果很大，有時較小，而不規則波周期有一定的分布，試驗結果更為穩定。李勤熙等通過二維波浪水槽采用不規則波和規則波2種波浪研究了橢圓形SFT斷面的波動特性，冀以優化和開發新結構形式的水下懸浮隧道。目前，中國某公司牽頭建造了世界上最大的SFT試驗水池，長26.0 m、寬26.0 m、高3.0 m，總投資超過1 000萬元。SFT實驗室效果圖如圖6所示。該實驗室可以開展SFT的大比尺深水試驗和波浪-洋流耦合荷載作用下的SFT系統綜合性試驗，它的建成使大比尺SFT深水動力試驗成為可能。

圖6 SFT實驗室效果圖

4 其他

海面波浪、洋流、海底地震以及其他偶然環境因素(例如沉船、潛艇、內外部爆炸沖擊)等必然對SFT本身產生極為嚴重的影響，在緊急情況下隧道中人員的逃生救援也是一個至關重要的問題，但目前在此方面的研究成果不多，例如： 文獻[36]研究了SFT在進水緊急情況下逃生設施的設置問題，申請了SFT的接頭設計專利。

在交通荷載模擬方面，Perotti等[22]認為SFT交通荷載模擬可參考橋梁交通荷載的模擬方式； Tariverdilo等[37]研究了SFT移動集中力荷載作用的管段響應規律； 董滿生等[38]和項貽強等[39]建立了等距集中荷載、流-固-車輛耦合振動的理論研究方法； 梁波等[40]在考慮移動荷載波動性和周期性的情況下，對比研究了不同交通荷載模擬方法對SFT結構響應的影響。

5 結論與討論

1)水中SFT的經濟和環保優勢明顯，國家發展和社會進步的需求突出，但各國的SFT研究方案均未有付諸實施的報道，主要可以歸結為技術和社會進步的局限。具體來說： 一是許多SFT的技術問題還有待研究，安全性和穩定性設計尚不成熟； 二是社會對SFT的安全要求不僅僅在技術安全層面； 三是缺乏建造和設計SFT的技術規范和工程標準。

2)SFT的關鍵參量“協同浮重比”涵蓋了結構張力腿錨索布置形式、傾角和浮重比與SFT水平、豎向振幅間的相互作用關系。考察綜合性參量有助于研究結構自振頻率、支撐系統張力水平的歸一化變化規律。將錨索視為受張力的梁，進行管段與錨索運動耦合分析更為接近結構的真實運動情況。

3)SFT的模型試驗經歷了由靜水試驗到純流、規則波浪和隨機不規則波的發展，試驗條件也由單一化造流水池到風浪流波浪水槽，甚至深水大型波浪流水池發展，波-流耦合、流-固耦合、動水與靜水結合是SFT模型試驗未來的發展趨勢。

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