水中懸浮隧道初期研究設(shè)計(jì)

潘玉龍

（聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059）

水中懸浮隧道（Submerged Floating Tunnel，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)驗(yàn)所共同提出的一種新型結(jié)構(gòu)形式。一般由懸浮在水中一定深度的管體結(jié)構(gòu)、水下基礎(chǔ)、支撐系統(tǒng)、管體之間的接頭及與兩岸相連的駁岸結(jié)構(gòu)組成。

水中懸浮隧道吸引了許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者去探索研究，像中國(guó)、挪威、意大利、美國(guó)、日本等國(guó)的學(xué)者對(duì)此研究較為深入，水中懸浮隧道具有自身的特點(diǎn)及難點(diǎn)，不同的國(guó)家或水域可能存在不同的困難與問(wèn)題。類(lèi)似于臺(tái)灣海峽海底隧道的修建，島嶼眾多的希臘學(xué)習(xí)水中懸浮隧道技術(shù)，以求加強(qiáng)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(qiáng)直布羅陀海峽之間的經(jīng)濟(jì)往來(lái)。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨之而來(lái)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、開(kāi)發(fā)海資源的需求將會(huì)越來(lái)越高，改善和提高通過(guò)隔海兩地的交通能力問(wèn)題也會(huì)日益突出。而我國(guó)有著18 000 km 的海岸線(xiàn)，沿海分布著5 000 多個(gè)島嶼，還有許許多多海口和港灣，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(duì)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?jī)r(jià)值，可以有效提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國(guó)雖起步較晚，但有可能成為世界上首個(gè)建造水中懸浮隧道成功的國(guó)家。

據(jù)國(guó)內(nèi)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(fù)雜條件下施工建設(shè)安全、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工程技術(shù)問(wèn)題。

1 水中懸浮隧道類(lèi)型設(shè)計(jì)

水中懸浮隧道的建設(shè)的技術(shù)核心在于隧道的動(dòng)態(tài)控制和結(jié)構(gòu)安全。其中，水中懸浮隧道的類(lèi)型是初期研究設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，不同類(lèi)型的設(shè)計(jì)可能會(huì)帶來(lái)不同的動(dòng)力響應(yīng)，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求也不同。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，水中懸浮隧道的類(lèi)型大致有以下幾種：

1.1 浮筒式結(jié)構(gòu)

浮筒式結(jié)構(gòu)是通過(guò)控制隧道管體截面的壓艙荷載以及密實(shí)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(shì)，再采用錨索與浮筒鏈接，以達(dá)到平衡保證整體的穩(wěn)定性。浮筒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在水流平緩，波浪浮冰較少，同航量較少的水道中應(yīng)用較多，這一結(jié)構(gòu)形式不受水體深度的影響，但此結(jié)構(gòu)僅能對(duì)隧道提供豎向約束，而對(duì)橫向約束較弱，在運(yùn)營(yíng)期間可能存在一定的影響。

1.2 錨索式結(jié)構(gòu)

錨索式結(jié)構(gòu)是通過(guò)控制隧道管體截面的壓艙荷載以及密實(shí)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(shì)，再采用錨索將水中懸浮隧道與海洋底部的固定基礎(chǔ)相連接，提供一個(gè)反向拉力，以達(dá)到力的平衡保證整體的穩(wěn)定性。錨索式結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于水流湍急或環(huán)境更加惡劣的海洋環(huán)境中，其獨(dú)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(lái)的動(dòng)力響應(yīng)，做到良好的動(dòng)態(tài)控制，但其受渦激振動(dòng)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(jié)構(gòu)

剛性樁結(jié)構(gòu)是通過(guò)控制隧道管體截面的壓艙荷載以及密實(shí)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(shì)，通過(guò)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(lèi)似于海洋中的橋梁。剛性樁結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在深度不大的海洋環(huán)境中，考慮其設(shè)計(jì)與橋梁類(lèi)似，對(duì)于力的傳遞等比較明確，設(shè)計(jì)較為方便，由于需要對(duì)樁體進(jìn)行更高要求的固定，所以對(duì)所在環(huán)境的土質(zhì)、水體要求較高，前期選址設(shè)計(jì)花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，工程難度較大，造價(jià)變化相應(yīng)較大。

2 水中懸浮隧道斷面設(shè)計(jì)

斷面形式是水中懸浮隧道在設(shè)計(jì)過(guò)程重最需要考慮的因素之一，無(wú)論是斷面的內(nèi)部還是外部設(shè)計(jì)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(nèi)部需具備充足的空間以供車(chē)輛或行人通行，保證有足夠的空間安置各種交通設(shè)備以及逃生、通風(fēng)通道等所占的空間，都必須計(jì)算在內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究分析水中懸浮隧道設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)方案中出現(xiàn)最多的一種形式，其類(lèi)似于傳統(tǒng)的隧道形式，空間較大，可采用單層直通設(shè)計(jì)或雙層的設(shè)計(jì)，例如，意大利的圓形斷面內(nèi)部采用雙層設(shè)計(jì)，將內(nèi)部空間進(jìn)行劃分，不同的空間進(jìn)行類(lèi)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(jié)構(gòu)。

2.2 矩形斷面

沉管隧道中常用矩形斷面的設(shè)計(jì)形式，水中懸浮隧道一般不應(yīng)用矩形斷面的設(shè)計(jì)，因其難以達(dá)到最大效益。但也有國(guó)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(shè)計(jì)方案，采用了矩形斷面，將一個(gè)海岸與人工島進(jìn)行連接，建立一個(gè)通道以供車(chē)輛或人員通行。但規(guī)則的矩形斷面往往會(huì)帶來(lái)更大的水動(dòng)力壓力影響，甚至出現(xiàn)集中應(yīng)力現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)的破壞。應(yīng)采用在斷面周邊增加附屬結(jié)構(gòu)的方法，應(yīng)對(duì)特殊條件影響下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題。見(jiàn)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(dòng)力的影響較小，在跨海隧道的建設(shè)中有廣泛應(yīng)用。例如，韓國(guó)采用橢圓形斷面的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行跨海交通方式設(shè)計(jì)，并在水中懸浮隧道內(nèi)部設(shè)計(jì)了中間供人員通行及通風(fēng)設(shè)計(jì)，兩側(cè)設(shè)計(jì)了供鐵路通行的雙向通道。見(jiàn)圖2。

圖2 橢圓形斷面

2.4 多邊形斷面

多邊形斷面設(shè)計(jì)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?chē)臻g可以設(shè)計(jì)安全通道或設(shè)置其他安全設(shè)備。例如，意大利Messina 海峽采用多邊形斷面的設(shè)計(jì)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?chē)目臻g可以很好地減輕自重，以保證內(nèi)部空間的穩(wěn)定。中國(guó)的金塘海峽也擬采用多邊形斷面的方案設(shè)計(jì)水中懸浮隧道，以充分利用斷面周?chē)臻g來(lái)設(shè)計(jì)安全通道、救援通道等。見(jiàn)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(jié)構(gòu)。例如，日本北部灣擬建的水中懸浮隧道，內(nèi)部采用圓形斷面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)形式多樣，外部橢圓形斷面設(shè)計(jì)，斷面周?chē)O(shè)置多種用途的空間，兩種斷面形式結(jié)合，既高效又節(jié)省資源。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)于水中懸浮隧道的斷面形式，對(duì)不同的斷面形式進(jìn)行研究、分析，通過(guò)更加深入的研究以得到不同斷面形式最適宜的設(shè)計(jì)方式。劉宇等在流勢(shì)理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)物之間的相互作用的基礎(chǔ)上，用與水平兩個(gè)方向垂直的線(xiàn)性彈簧來(lái)代替錨索結(jié)構(gòu)，以建立二維模型的方案對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，并采用數(shù)據(jù)分析計(jì)算方法，對(duì)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(yīng)分析，得到如下結(jié)論：不同形式的斷面針對(duì)于不同的入射波波頻運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(gè)方向而言，橢圓截面更加穩(wěn)定。

羅剛等針對(duì)于水中懸浮隧道斷面選擇的合理性展開(kāi)研究，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)圓形、矩形、橢圓形、多邊形等五種斷面形式進(jìn)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(lái)的水動(dòng)力影響得出，耳形斷面的設(shè)計(jì)更為合理，其具備更好的穩(wěn)定性，受周?chē)饬Φ挠绊戄^小，更有利于水中懸浮隧道整體的穩(wěn)定性。

項(xiàng)貽強(qiáng)等在水中懸浮隧道的研究中，認(rèn)為斷面形式的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析去選擇，如根據(jù)運(yùn)營(yíng)目標(biāo)、設(shè)計(jì)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(shí)考慮最大限度滿(mǎn)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(jié)構(gòu)、水下基礎(chǔ)、錨索及兩岸的支撐等組成，并在內(nèi)部周?chē)臻g設(shè)置通風(fēng)、排水、逃生等通道，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

就目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)程度來(lái)看，水中懸浮隧道獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，決定了其未來(lái)在隧道工程發(fā)展中的地位。針對(duì)水中懸浮隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水中懸浮隧道斷面結(jié)構(gòu)形式、水中懸浮隧道在一定條件下的動(dòng)力響應(yīng)情況、水中懸浮隧道抗震技術(shù)及水中懸浮隧道適應(yīng)性、穩(wěn)定性等方面的研究進(jìn)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(diǎn)裝置仍有許多新問(wèn)題需要解決，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善。在水中懸浮隧道的斷面形式設(shè)計(jì)方面，斷面形式的選擇對(duì)隧道整體的受力以及振動(dòng)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(shè)計(jì)需要根據(jù)選址地點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，以求達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化并具有高度的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。