懸浮隧道關鍵技術研究現狀及展望

高慧興 劉海斌

（吉林建筑大學交通科學與工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

近年來，國內的水下隧道工程日益增多，但這些隧道中大多數都是采用了傳統的水下隧道修建方法，如盾構法、沉管法、鉆爆法。而臺灣海峽、瓊州海峽和渤海海峽三處海峽的海域環境復雜，氣候多樣，在這種海峽修建海底隧道是對我國隧道技術的重大挑戰。在這樣的工程需求背景下，人們提出了“懸浮隧道”的概念，眾多國內外學者對懸浮隧道的可行性、水動力問題、動力響應進行了研究，取得了一定成果。本文對這些研究成果進行梳理，并展望懸浮隧道關鍵技術未來的研究重點。

1 “懸浮隧道”的概念

“懸浮隧道”是近年來比較熱門的海上交通方式，英文全稱為Submerged floating tunnel，下文簡稱SFT，由于懸浮隧道的設計理論是從阿基米德的浮力定理中得來的，所以在意大利也稱其為“阿基米德橋”。懸浮隧道一般由懸浮在水中一定深度的管狀結構物、支撐結構（如：張力腿、浮箱等，保持水中懸浮隧道的穩定性并限制其位移）、與兩岸相接的相關構筑物及管體之間相接部件組成。懸浮隧道概念示意圖如圖1所示。

圖1 懸浮隧道概念示意圖

2 懸浮隧道關鍵技術研究現狀

2.1 國外研究現狀

早在19世紀50年代，學者們就提出了一種新型的跨越水域的交通形式來替代傳統橋梁，這種概念被稱為“John Creed”懸浮隧道。1923 年，挪威取得了水下懸浮隧道研究的突破性進展，并獲得了全球第一個關于此類型交通結構的專利。1960 年之后，對懸浮隧道這類交通結構的研究才開始變得更加正式。1966 年，Grant 首次提出了使用這種新型結構物來跨越Messina海峽的構想。除了挪威外，意大利也是對懸浮隧道的研究時間較長、范圍較廣泛的國家之一。此外，包括美國和日本在內的其他一些國家也根據本國相關的跨海交通情況，對懸浮隧道的研究工作進行了規劃。

Federico Perotti[1]在研究解決時變軸向荷載下的橫向振動問題時，開發了一個用于模擬錨固元件的“ad hoc”有限元，隨后將該單元插入一個迭代程序中，用于對多支撐地震輸入的非線性響應進行數值分析；該程序包括流體結構和土壤結構相互作用的簡化建模[2]。這對后續SFT的研究是很有意義的。

Luo[3]建立了一個理論水動力模型來描述規則波作用下SFT 系泊纜的耦合動力響應。在該模型中，通過移動物體的Morison 方程估計波浪引起的水動力載荷，并使用四階Runge-Kutta 和Adams 數值方法求解了帶系泊纜的隧道的簡化控制微分方程。Lin[4]研究了索長、浮重比、波浪周期、波浪陡度和水/淹沒深度等參數對波浪荷載作用下SFT動力響應的影響。

Kunisu Hiroshi[5]利用邊界元法基于衍射理論對波浪力進行了評估，并討論了SFT 的尺寸和形狀對波浪力的影響。而Chungkuk Jin[6]開發了一個時域耦合水彈性動力學模型，以解決波浪激勵下的隧道系泊系統相互作用[7]。

JimmyNg K.T[8]和J.R.Chaplin[9]研究了SFT 在組合波流的條件下對尾流的流動特性；Zou[10]和Sung-il，Seo[11]將線性波理論應用于Morison方程，計算的力與試驗測量的力吻合良好，試驗結果表明，系泊系統對懸浮隧道在波浪中的運動中起著重要作用，單擺模型可用于描述具有單個垂直系泊的水下懸浮隧道的運動。根據驗證的關系，還提出了導致水下懸浮隧道不穩定的簡單松弛條件。

2.2 國內研究現狀

懸浮隧道相對于傳統橋梁，不在水平面以上跨越海峽，而是處于水中，對于兩岸地貌影響較小，還原海域的自然風光。車輛通行受天氣影響較小，有助于提高車輛通行速度和質量。尾氣不直接排放于大氣之中，有助于環境保護。就我國目前的跨江河、湖泊等交通形式的發展狀況來看，能夠利用的土地資源日益減少，剩下的自然環境較惡劣的地段只能通過更具創新、有效、安全的技術來實現。

在2000 年至今的23 年的時間里，我國也相繼進行了有關SFT 的各項研究，尤其是在與意大利簽訂了關于金塘海峽SFT的建設合作協議之后，我國對SFT的關注度不斷提高。位于舟山群島和浙江陸地之間的金塘海峽，寬3000m，深度為50m，SFT 設計為一種寬度為28m，高度為12m 的雙關節結構。隨后，我國與意大利政府的關于SFT 研究的單位陸續展開合作。2006 年4月，中意兩國正式簽訂了建造千島湖SFT 原型隧道的合作協議書，此舉標志著我國SFT 的研究已經從概念階段邁向規劃階段。與此同時，國家自然科學基金委員會對國內關于SFT 研究機構的資助促進了我國SFT的技術積累。2013年，政府為探索新型交通方式，立項資助了招商局重慶交通科研設計院有限公司“深海懸浮隧道關鍵技術的前期研究”建設科技項目。招商局重慶交科院與國內致力于SFT 研究的中科院力學所、天津大學、合肥工業大學以及重慶交通大學組成了項目攻關組，在隧道建設國家工程實驗室的基礎上設計并建造了世界上最大的SFT 水下波-流耦合試驗室。2016 年12 月，第二屆國際懸浮隧道會議勝利召開，蔣樹屏研究員擔任大會主席。2017年10月，SFT水下波-流耦合試驗室開始投入使用，并開展了各種關于波-流耦合水下動力試驗，這象征著我國在SFT 領域的研究邁出了關鍵一步。

謝立廣[12]通過將SFT 管體等效成具有彈性支撐的簡支梁，為了方便分析SFT 的靜力問題引用了傳遞矩陣法，而SFT管間的連接采用彈性鉸使SFT結構體系的靜力及動力特性的分析更加簡便。

干湧[13]為了方便SFT 空間整體分析推導出虛擬層合單元理論，為計算構件界面的內力分布提供理論支持，其提出的虛擬層合單元理論對懸浮隧道管體研究的發展有著重要的理論意義。

秦銀剛[14]等對流固耦合形式進行線性處理，為了得到穩定振動下的數據，試驗中SFT 的張力腿系統之間的距離用Melnikov 方法進行分析，試驗結果表示水流對支撐系統的流速和水流繞過張力腿形成的渦脫現象對SFT 支撐系統的振動影響顯著；甚至跨度較大的張力腿會發生高階形式的振動失穩現象，通過試驗模擬建立了SFT 渦激振動方程，并對其進行了相應的數值分析。分析結果表明，錨索與海底水平面的夾角對響應影響并不大。

柏君勵[15]等采用RANS 方程對部分試驗工況進行數值模擬，并對波流與圓柱相互作用過程中自由面的變化以及波浪的反射情況進行分析；重點討論了圓柱所受波流作用力的峰值隨圓柱淹沒深度的變化規律，并將試驗測量的受力峰值與Morison 公式計算的理論值進行對比，發現波浪的反射和阻塞效應對波流作用力的峰值具有顯著的影響。

侯志瑩[16]分析隧道管體-錨索耦合作用下在單模鎖定狀態和多模非鎖定狀態下的渦激振動響應，考慮了恒流情況下水流速度對其渦激振動響應的影響，也考慮了在剪切流中渦激振動的位移和加速度響應。

王廣輝[17]概述了水下懸浮隧道在水中受到的荷載，并對其進行了總結歸類。較為詳細地介紹了各種波浪理論，并對其適用范圍進行了一定的分析；對波浪及水流對水下懸浮隧道的作用進行了重點分析，確定了計算理論。

李若雨[18]等研究了海水深度、懸浮隧道所處深度、波浪入射方向與懸浮隧道所成角度、波浪高度、波長等環境因素對結構動態響應的影響。得出不同計算方案中懸浮隧道的最大位移形態和最大位移形態出現的時間點及各節點的作用力分布曲線，以及結構變形最大處的坐標和節點作用力隨時間變化的曲線。

陽帥[19]和柯威[20]通過對錨索破斷行為和連續倒塌現象進行模擬，分析了不同波流參數、浮重比、斷纜方式、斷纜位置等因素對SFT 整體動力響應的影響，力求為實際的工程設計提供科學參考依據。

尤云祥[21]對水下水平圓柱在兩層流體中的水動力響應做了分析，在線性勢流理論的范圍內用多極子展開的方法求解圓柱體振蕩過程中的輻射勢，對比潛體在不同振動模態下自由面的變化情況，并對附加質量和附加阻尼系數的解決方式進行了數值分析。

趙嵐濤[22]通過數值模擬與模型試驗相結合的方法來研究水下懸浮隧道的水動力響應分析與振動激勵的問題，開展了波-流耦合作用下水中懸浮隧道結構選型必要參數的研究。

周建軍[23]基于FLUENT軟件構建數值波浪水槽，模擬分析了聚焦波浪對完全淹沒狀態水平圓柱的水動力作用。研究了水平圓柱存在時的聚焦波浪波面及流場特征，以及不同波陡聚焦波作用下的水平圓柱受力變化特征。研究表明：在圓柱存在時，波面形狀基本保持不變，高階諧波會發生相位的偏移，圓柱周圍流場隨波峰的到來產生主要的漩渦并隨后脫落；四相位分離方法對圓柱水平和豎向作用力的分解有效，且發現其高階作用力與總體作用力之比隨波陡的增加而增大，波陡對圓柱豎向作用力的影響比水平方向更大。

2.3 研究現狀綜合分析

對懸浮隧道的研究盡管成果頗豐，但總體上還處于探索階段，大多以數值模擬與試驗的方式來進行。我國對懸浮隧道的數值模擬可在Ansys Fluent 中利用最廣泛追蹤面的VOF 法來實現對波面的監控，運用動網格技術編譯udf文件實現對流場的模擬，利用基于雷諾平均的N-S 方程，即RANS 方程實現對數值模擬的求解；還有OpenFOAM 中的k-ε 模型和運算量更大更精確的大渦模型模擬。盡管如此，對于懸浮隧道的模擬工況也只實現了單變量的規則波或均勻流，甚至是規則波與均勻流耦合作用下的水動力響應分析，面對實際海域環境中復雜的波浪環境和水流條件，數值模擬的工況還處于一種理想狀態。

在試驗方面大多是在水池中放置單管節節段桿件或者多排管節節間剛性連接的情況，無法反映懸浮隧道在波流作用下接頭結構對隧道整體的影響，而且進行縮尺處理后，小尺寸模型與實際情況的受力與受壓狀況還是不盡相同的。

3 未來研究方向的展望

上文梳理了國內外學者在懸浮隧道水動力特性與動力響應、錨固方式以及隧道界面的選取等因素的影響，包括波流耦合作用對懸浮隧道結構的影響分析等數值模擬和模型試驗研究方面的成果，筆者作以下幾點研究展望：

（1）水動力學模型試驗能夠提供波流作用過程最為直觀的流體動力學現象認知，建立雙排SFT 數值模型，研究波流共同作用下雙排SFT 所受水平力與垂直作用力與兩隧道間距和隧道管徑比值的關系，觀測隧道最大受力位置預估其破壞形式。進行不同淹沒深度下波浪與水流對結構物受力及受力峰值的影響的試驗研究，考慮兩水平圓管繞流產生的渦場是否會與結構物發生共振，即渦激共振現象。

（2）試驗需要采用高頻流場粒子圖像測速系統和高速圖像采集分析技術捕捉波流沖擊懸浮隧道演進過程中的速度場變化特征。基于速度場，利用流體力學基本理論推導渦量場、壓力場，分析繞流場速度、渦量和壓力空間分布隨來流速度和波流特性的變化規律。基于PIV 速度場分析結果，分析波流共存時垂線速度剖面特征，建立速度場數學描述方法；基于高頻圖像分析結果，研究雙排SFT 兩隧道間距與隧道管徑之間的關系。

（3）海洋的環境條件復雜，需要考慮到極端波浪和復雜水流對懸浮隧道結構的水動力響應分析，現有的研究大多考慮的是規則波，均勻流，規則波-均勻流耦合的情況，而這種理想工況無法正確地反映實際的海況，因此需要展開聚焦波、異重流等極端海洋環境對懸浮隧道整體結構的影響研究。

4 結束語

根據以上國內外學者的研究可以看出，懸浮隧道作為一種新型水下交通方式，想要應用在實際工程中，還需要解決諸多實際問題。結合海上復雜的情況，懸浮隧道確實能夠以其獨特的工程結構搭配相對簡單的穩固方式，使這種跨越大型海域的交通方式在復雜的海域環境中得以實施，為了實施這項前沿的近海工程需要克服諸多挑戰，還有許多關鍵技術需要研究，很多困難亟需解決，比如渦激共振現象的影響；雙排SFT 兩隧道間距與隧道管徑之間的關系；聚焦波、異重流等極端海洋環境對懸浮隧道整體結構的影響。這是國內外相關課題學者進一步深入研究和探索的方向。