水下悬浮隧道基础形式初探★

张 焕 苏志彬*

(聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252059)

水下悬浮隧道基础形式初探★

张 焕 苏志彬*

(聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252059)

对水下悬浮隧道的三种形式作了介绍，通过查阅大量权威书籍，搜集、整理资料，得到了各种水下基础的结构形式、优缺点以及适用范围，为水下悬浮隧道基础的选择提供可靠依据。

水下结构，悬浮隧道，基础

0 引言

社会不断发展、人口急剧膨胀，环境日益恶化、陆地资源逐渐枯竭，人类迫切需要制订一种新的发展战略目标。所以，海洋以一种特殊的身份重新进入人们的视野。同时，世界经济水平与科学技术的迅猛发展也为人类走近海洋奠定了坚实的基础。部分发达国家在水下结构方面已有了较好发展，为人类继续研究积累了宝贵经验。

轮渡，桥梁，水下隧道是跨越江河湖海的三种主要形式。轮渡投资最少，但因其运输量小，等候时间长，受气候影响最大等原因，远远不能满足现代经济的快速发展。水下隧道与桥梁相比优点如下：不影响海域生态环境，不破坏航运，不侵占航道净空，还能有效避免尘土噪声对环境的影响，十分有利于环境保护；一般无通行车辆载重限制，具有超强的承载能力，根本不受天气气候变化的影响，具有很强的抵抗战争破坏、自然灾害和突发事件的能力，有稳定畅通的通行能力。故水下隧道必定成为日后人类跨越江河湖海的新宠。

与传统水下隧道相比，水下悬浮隧道是一种新型的水下隧道形式,在造价、环保等方面更为优秀。水下悬浮隧道在近半个世纪以来吸引了众多国内外专家学者的关注。

1 水下悬浮隧道形式

水下悬浮隧道主要有以下三种形式：

1)桩柱支撑式水下悬浮隧道：该结构形式设计得比较轻，适合于隧道管体结构且水深小于100 m的情况。并通过固定于海底的桩柱来维持隧道管体的稳定。2)浮筒式水下悬浮隧道：该结构形式设计得比较重，适合于悬浮隧道结构且管体所受重力大于浮力的情况，靠连接在管体上的浮筒来维持隧道管体的稳定。3) 张力腿或锚索式水下悬浮隧道：该结构形式既适合于管体所受浮力小于重力的情况，也适合于所受浮力大于重力的情况，浮力的大小可以作为采用柔性还是刚性的锚索或张力腿的依据，靠连接在海底基础上的锚索或张力腿维持隧道管体的稳定。

张力腿或锚索式水下悬浮隧道，结构形式灵活，可以在深度变化很大的范围内进行修建，并可与其他的锚固形式联合使用。因此，根据我国悬浮隧道的适合修建悬浮隧道场所的环境条件及研究现状，我国专家学者的研究对象皆为张力腿(锚索)式悬浮隧道。

2 水下基础

地基基础只有承受足够大的上拔荷载才能适应十分复杂的海洋工程和海岸环境，承受斜向抗弯荷载与水下、水平压荷载。但是，相比抗压桩，抗拔桩的研究十分罕见。我国对于抗拔桩的变形和承载力的研究有重大突破，在土体破坏形态和土中应力以及上拔荷载与位移的测试中，刘文白等[1]总结出以下结论：扩展基础在风积沙浅埋中上拔强度的原理是压缩—塑性区开始出现并大幅度扩展—破坏整体的渐进性剪切破坏，这些原理不仅将土中应力通过测试得到验证，还进一步解释说明了上拔承载能力在土层压缩过程中如何产生。关于桩身变形、开裂、最大侧摩阻力以及侧摩阻力的效果在抗拔桩中的体现经过静载检验，王之军[2]做了以下分析，并和抗压柱进行了对照。结论如下：抗压桩临界位移比抗拔桩大，一样的柱顶荷载抗压桩的桩身变形比抗拔桩小。并运用混凝土双折线应变应力模型，荷载传递的双折线总结出抗拔桩荷载传递静力平衡法，对抗拔桩在均质土中做了变形分析。

浅水域中的水中悬浮隧道，需用抗弯性能和抗拔性能好的桩基础。现在，吸力式沉箱、锚板基础和桶形基础在海洋工程和海岸工程应用相对较广。

1)吸力式沉箱。20世纪70年代首先适用于近海工程。圆筒由钢筋混凝土做成，位于顶部，亦可由通过适当连接的多个圆桶组成。开有抽气孔的封闭上端和敞开的底端是吸力式沉箱的一大特点。吸力式沉箱作为新型基础，其吸力是由抽水产生的，并安装于海床中。安装程序如下：在重力作用下将基础首先下沉至海底，接着通过抽气孔用真空泵抽出桶中的气包括水和土，这样一来，负压便在桶中形成——称为主动吸力，通过内外压力差沉箱被压入土中，土把圆桶空腔填满是结束操作的标志，也正是通过这一安装方式，为吸力式沉箱的推广打下坚实的基础。但海洋吸力式沉箱仍接受着大自然的严峻考验，先不说它自身地基所需承受的静力荷载，如何解决复杂的地基土体受力状态与长时间的波浪力作用将成为我们以后的主攻方向。在吸力式沉箱的极限承载和吸力式沉箱的特性方面，王志云[3]等人进行了相应的分析研究。显然，地基设计者十分关心的问题还包括海洋岩土动力学研究、静、动力稳定性分析。吸力式沉箱的优点：提供较高的承载力，方向不受限制，可以存在于任何环境之中等一系列特点，使其广泛应用于海洋工程油气的开发；更为可喜的是需要移动平台时，沉箱内可用真空泵通过抽气孔泵入气、水和土，从而从土中将沉箱轻易拔出，如此一来吸力式沉箱便可以重复使用，大量降低了成本和节约了资源。而且，吸力式沉箱不受水深的限制，这种基础形式目前已经在2 000 m深水中采用，效果很好。与传统的打入式桩和拉锚相比，其优点还包括安装速度快、安装简单，实际工程中最短在24 h内便可将这种吸力式沉箱基础安装完毕。

2)平板锚。平板锚广泛应用于岩土工程，作为一种基础形式提供抗拔力，像电视塔、输电线杆塔和桅杆中均普遍采用这种抗拔基础，与吸力式沉箱不同，其作为锚固基础应用于海洋工程的历史十分短暂，仅不到十年[4]。矩形和方形是现在通常使用的平板锚，使锚板旋转至工作位置的方法十分巧妙：锚板被使用一定方法竖直插入到土体中，并将锚链与锚腿连接起来，这样锚板在加载时会在锚链与锚腿的作用下产生一定弯矩。还有一种方法就是通过钳式臂在竖向贯入平板锚的工作下将平板锚直接插入到土体中。除了竖向贯入平板锚，平板锚还分为吸力式预置平板锚。针对平板锚的拔出过程和承载特性等方面做了数值模拟分析和相关试验研究的有刘君，王栋等人[5，6]。平板锚的缺点：超深水和深水环境下作业难度大，锚板埋置深度有限。平板锚的优点：通过吸力式沉箱安装锚板的吸力式预置平板锚操作流程如下：在压力差的作用下将预先竖直放置的吸力式沉箱中平板锚压入到指定的深度；拔出沉箱；使平板锚在旋转的作用下找到合适的工作位置。这样的安装过程不仅避免了拖拉式预置锚定位不准确的缺点，还保证了锚板足以达到预定的深度。用来协助安装锚板的吸力式沉箱，仍可以重复使用。综上所述，吸力式预置平板锚是在更适合深海水域的基础上，具有比拖拉式预置锚和吸力式沉箱更可靠的锚固系统。

3)桶形基础。一种大型薄壳结构的桶形基础，由挪威土工研究所[7]最早成功研制，分裙板和顶板两个主要结构，多为圆柱薄壳结构并采用下端开口，上端封闭的形式，倒扣的钢桶是对其外观最为生动、形象的描述。混凝土结构桶形基础并不多见，常见的是钢制桶，而且据应用领域不同，可分为多桶和单桶结构。它吸取了具有裙板的重力基础和负压锚桩等海洋结构物的大部分优点，结构形式、工作原理与吸力桩相同。桶形基础的缺点：高度和直径大是桶基础得到较大承载能力的保证，这样才能适应泥沙软土的海底地基条件。随之而来的就是工程制造、沉放和设计理论的难题；基础的水平位移在泥沙软土的海底也不方便控制。桶形基础的优点：施工周期短，短期内即可投入使用，而且可多次重复回收使用。而且对于重力式锚无法实现的高锚固力需求的土质松软的海底表层土质情况，桶形基础的负压桶可将其轻松解决，即对海上吊重能力的需求大幅降低；锚固能力全方位提供、结构的整体稳定性得以保证是船用抓力锚所无法实现的。其较高的灵活性和机动性，高精度定位，受力后较小位移，可承受的较大水平力以及抗拔力解决了先前无法处理好的技术难题，完善了水下结构技术体系[8]。

3 展望

如今，科学技术日新月异，新型结构材料的研究也为结构创新提供了理论基础；结构功能的发展为结构创新提出了新的需求，新型水下结构的创新在国内结构施工技术的进展下也得以实现。而且，目前测定技术、计算机技术和测试仪器已逐渐成熟，水下结构研究方法的内涵不断地加深，必将趋于复合化和多样化来更好满足人类对水下结构的需求。相信在不久的将来，我国在大河、大江或海峡的通道建设中将实现悬浮隧道建设新的突破，谱写我国水下交通建设的新篇章。

[1] 刘文白，曹玉生，孟克特木尔.风积沙地基扩展基础的抗拔机理与计算[J].工业建筑，1998,28(11):35-38,60.

[2] 王之军.等截面竖向单桩抗拔承载力试验研究及变形非线性分析[D].北京:中国地质大学博士学位论文，2006.

[3] 王志云.软土地基上吸力式沉箱基础的抗拔承载特性研究[D].大连:大连理工大学博士学位论文，2008.

[4] Dove P,Treu H,Wilde B.Suction embedded plate anchor(SEPLA):a new anchoring solution for ultra-deepwater mooring.Proc.DOT Conf.,1998,New Orleans.

[5] Liu J,Wu L,Hu Y.Pullout capacity of circular plate anchors in NC clay[J].Journal of Dalian University of Technology,2006,46(5):712-719.

[6] Song Z,Hu Y.Vertical pullout behaviour of inclined plate anchors in uniform clay.Proc.Int.Symp.on Frotiers in Offshore Geotechnics,IS-FOG05,2005,Perth.

[7] 施晓春,徐日庆,龚晓南，等.桶形基础发展概况[J].土木工程学报，2000,33(4):68-73,92.

[8] 杨家岭，王书法,孔令伟，等.桶形基础采油平台三维有限元稳定计算分析[J].岩土力学，2002,23(5):640-644.

Inquiry on foundation form of underwater floating tunnel★

ZHANG Huan SU Zhi-bin*

(CollegeofBuildingEngineering,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

The paper introduces three kinds of underwater floating tunnel. Through looking up books and collecting and collecting data, it achieves various underwater foundation structure forms, defects and merits and application scope, which has provided reliable basis for underwater floating tunnel foundation selection.

underwater structure, floating tunnel, foundation

1009-6825(2014)07-0162-03

2014-01-08★：聊城大学大学生科技文化创新基金(项目编号：SF2012231)；国家自然科学基金资助(项目编号：51108224)；山东省自然科学基金资助项目(项目编号：ZR2013EEL006)

张 焕(1991- )，男，在读本科生； 苏志彬(1980- )，男，硕士，讲师

U452.21

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