水中悬浮隧道关键问题研究进展

黄柳楠，李 欣，伍绍博

（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

水中悬浮隧道关键问题研究进展

黄柳楠，李 欣，伍绍博

（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

2016年挪威松恩（Sognefjord）峡湾第一条水中悬浮隧道的正式开建有力推动了相关技术的发展，随着研究的深入，水中悬浮隧道作为深水条件下跨海通道设计方案的优越性愈加突出。文中主要就水中悬浮隧道的动力响应、设计参数、安全性能以及挪威松恩海峡水中悬浮隧道等方面的研究进展进行综述。

水中悬浮隧道；动力响应；设计进展；安全性能；松恩海峡

0 引言

水中悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel），又称阿基米德桥，一般分为张力腿式、浮筒式和立柱支撑式3种类型（图1）。因其具有单位长度造价低、对环境整体影响小、受天气影响小、过往车辆能耗低等优势，建设水中悬浮隧道逐渐成为各跨大面积水域交通工程的热门候选方案，挪威、意大利、美国、日本、中国等对此均有不同程度的研究。尽管其概念已经提出近160 a，但至今世界上还没有建成水中悬浮隧道。2016年，挪威耗资250亿美元打造的松恩海峡“两车道”水中悬浮隧道正式开建，预计将于2035年完工。自2004年由中国力学研究所与意大利阿基米德桥公司共同签署“中意阿基米德桥联合实验室合作协议”并开展多项研究工作以来，国内各单位对水中悬浮隧道的研究逐年增多，且取得了一定的研究成果。

本文将从水中悬浮隧道管的动力响应、设计进展、安全性能等方面介绍研究进展，并结合挪威在建的松恩海峡水中悬浮隧道的情况，对水中悬浮隧道未来的研究进行展望。

1 水中悬浮隧道的动力响应

讨论水中悬浮隧道的动力响应是分析其适用性必不可少的重要问题。水中悬浮隧道荷载条件较为复杂，主要类型见表1。

目前关于动力响应的研究主要集中在数值计算方法、减振设计、地震激励影响等方面。由于以交通为主要目的的水中悬浮隧道不同于传统的海洋工程结构物，它对动力响应的要求更加严格，但现有的主要分析工作尚处在线性计算层面，深入研究和试验相对稀缺，研究成果还不能满足现实工程需求。

本节将针对水动力和路面荷载作用下的水中悬浮隧道动力响应的研究进展进行说明。

图1 水中悬浮隧道分类型Fig.1 Classification of submerged floating tunnels

表1 水中悬浮隧道所受主要载荷Table1 Main load on the SFT

1.1 水动力响应

现有的计算大都偏于二维线性问题，没有考虑湍流情况，且与实验结合不多，其研究结果的可靠性有待验证。

在计算方法上，Mandara A等[1]在软件ABAQUS中综合运用计算流体力学和有限元方法，对水中悬浮隧道流固相作用的研究相对比较全面，后期研究还应探讨非定常流速下的响应规律。Seo等[2]提出了一种简化的理论方法，采用线性波理论和莫里森方程同时计算受力，并通过测试物理模型在波浪水槽中进行了可靠性验证。

在外在地震引发的载荷激励上，Lee J H等[3]研究了矩形剖面水中悬浮隧道的二维地震响应，指出在系统垂直地面的地震响应运动上，流体的压缩性、海水的深度、隧道结构在水中的位置和吸收能量的海底的柔软性大幅影响水中悬浮隧道系统。Ling Kang等[4]对水中悬浮隧道在涡激振荡和地震激励下的响应进行了线性研究，探索了缆绳间距与水中悬浮隧道响应的关系。

1.2 路面载荷引起的动力响应

在路面载荷方面，现有研究主要就路面状况以及载荷运动情况对水中悬浮隧道管运动的影响展开研究，初步取得了一些规律性的认识。

Jiang B等[5]为了获得对交通荷载计算值等因素的影响程度和水中悬浮隧道的动态响应和各因素的权重，运用了正交试验法和层次分析法，结合有限元模拟软件，提出了一个水中悬浮隧道的交通荷载计算公式。此外，Liang B等[6]还综合考虑交通荷载的影响机理，基于车流量特性和结构特性算法，通过对水中悬浮隧道交通负荷成分影响因素分析，提出了波浪力作用下水中悬浮隧道交通荷载表达式，可为动态响应相关算法研究作参考。

2 水中悬浮隧道的设计进展

水中悬浮隧道在截面设计方面也有进展。此外，作为隧道系泊系统的主流设计方案，张力腿式悬浮隧道系泊系统在参数选择、抑振与耗散装置方面的研究也取得了进步。

2.1 截面设计

隧道截面的设计对隧道的受力及振动影响很大，近些年的研究对纯矩形截面的响应规律有新认识，并且突出了浮重比BWR（Buoyancy-Weight Ratio）的意义。现有分析结合流体计算发现，矩形截面隧道迎流会产生水平推力和向上的升力，椭圆截面隧道结构面对来流相对平衡稳定。在水下悬浮隧道的设计部分，将矩形截面和椭圆截面的优点相结合，力求达到优化成本、施工和性能的目的。

2.2 张力腿式水中悬浮隧道系泊系统设计

系泊系统是张力腿式悬浮隧道设计的关键环节。Cantero D等[7-9]提出的不稳定构造下的解析表达式允许多模态振型在小跨比中的贡献。Lin F等[10]对不同布置方式下（详见图2），系泊系统的水动力特性进行了研究，发现锚索的倾斜式布置适用于水波浪和水流荷载的差异较小的情况，而混合式布置适用于较低波高和以水流为主要荷载的情况。Guo S等[11]考虑了容易安装的悬链线式系泊系统，对水中悬浮隧道运动的振幅和频率以及系缆的结构参数对系泊线位移和动态张力的影响进行了分析。

图2 张力腿式悬浮隧道系泊系统Fig.2 Tension leg type SFT mooring system

作为水中悬浮隧道安全性与实用性方面的关键问题，抑振与耗散装置在减振设计上，现有研究主要还是从优化系泊系统垂向刚度、增加抑振装置角度考虑。董满生等[12]探讨了在不安装减振的情况下，水中悬浮隧道甚至可以通过完善自身结构来大幅削弱隧道管振动的可能性。晁春峰、项贻强等[13]借鉴传统海洋立管涡激振动抑制经验，对螺旋条纹、控制杆和整流罩3种装置在水中悬浮隧道锚索抑振效果上进行研究，凸显了三螺旋线的优越性。

3 水中悬浮隧道的安全性能研究进展

水中悬浮隧道本身是位于水面以下的超大型结构物，无论是在施工建造还是运营维护过程中，一旦发生安全事故，后果将不堪设想。国内多从地震激励等外在突发载荷进行研究，挪威则在隧道形变、爆炸等方面研究较多。

魡rhus G H等[14]结合挪威松恩海峡水中悬浮隧道，考虑了所需材料的抗腐蚀性、延展性和吸收能量的能力。同时分析了加筋板受横向载荷和轴向挤压，讨论各种结构相对于大小、障碍的位置。研究的不足在于评价没有包括损伤状态下的静水稳定性初步评价。

T覫mte A等[15]选用了一个由混凝土与泡沫铝构成的与单层板等价的三明治结构模型进行研究，讨论了利用铝泡沫制作的可以吸收爆炸时能量的内部构件，从而保护针对爆炸荷载的混凝土墙的可能性。

4 松恩海峡水中悬浮隧道设计概念

挪威最早在1998年就提出修建水中悬浮隧道，但因为种种原因未能建成。目前在建的松恩海峡水中悬浮隧道，海峡全长3.7 km，宽1 250 m。水中悬浮隧道为双管段式，两个管段交通方向相反，同一管段内设同向两车道。管段采用浮筒式系泊，管段间设有逃生通道。隧道主体位于水下30 m，管段直径15 m，浮筒直径42.8 m。其中，水中悬浮隧道中部约400 m范围内为了便于往来船只穿梭未设置浮筒。隧道整体呈弧形，圆弧半径为2 682 m，连接两岸的弦长为3 700 m，弧顶距离弦长740 m。松恩海峡水中悬浮隧道见图3、图4。

图3 松恩海峡水中悬浮隧道效果图Fig.3 Design sketch of Sognefjord SFT

图4 松恩海峡水中悬浮隧道俯视图Fig.4 Top view of Sognefjord SFT

松恩海峡水中悬浮隧道的设计经过了1 000余个算例、50 000 CPU小时的计算，包括桁架、浮筒、缆绳、主体形状、水深等因素都经过了周密的考虑。部分隧道主体的响应计算结果见表2。在安装方面，松恩海峡水中悬浮隧道设计为先将隧道主体管段拖行至安装水域，与海底锚索连接后再注水下沉，并与同样被拖行过来的浮筒连接。整个隧道最终按此方法完成安装。

表2 特定计算工况下不同阻尼系数隧道响应情况（风：100 a一遇；浪：10 a一遇；流：100 a一遇）Table2 The response of the tunnel with different damping coefficientsunderthespecificcalculationconditions（Wind：100 year return；Swell：10 year return;Current：100 year return）

5 未来展望

水中悬浮隧道是一种创新的结构，由于其独特的结构形式和复杂的工作环境，它比桥梁和常规水下隧道要复杂得多。

1）在动力响应方面，需要更全面、多角度研究流固相互作用问题。已有研究模型过于简化，很多研究忽略阻尼项，并且只考虑均匀流、简支梁下的流固相互作用。还可以完善计算模型，考虑湍流等复杂流场下以及模拟不同天气下隧道的响应，研究流体结构相互作用的影响及作用机理，更好地描述真实条件的状况。

2）在设计方面，要从成本出发，综合考虑管段截面形状设计、浮重比和系泊系统垂直刚度、布置方式。寻找合适的抗冲击、抗疲劳、水密性好和耐腐蚀的新型材料。

3）在安全设计方面，除了继续对地震高发区域下地震激励对水中悬浮隧道的冲击进行研究，同时还要考虑当水中悬浮隧道沉船，行车碰撞、爆炸、火灾和锚索断裂发生等极端情况。

虽然水中悬浮隧道仍存在着一些问题和挑战，但世界上第一条水中悬浮隧道在松恩海峡已经进入初步设计阶段。水中悬浮隧道具有很多的优势和巨大的发展潜力，尤其在跨海工程中，它将在未来的交通建设和发展中发挥不可替代的作用。

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Research progress of key issues concerning submerged floating tunnels

HUANG Liu-nan,LI Xin,WU Shao-bo
（State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China）

In 2016,the construction of the first submerged floating tunnel in the world officially begins in Norway Sognefjord,which has influenced the related research deeply.With more and more relevant research in the world,the advantages of the submerged floating tunnels as the scheme of sea crossing project are more and more outstanding.We summarized the latest research progress of submerged floating tunnel,and the following aspects are mainly included:the dynamic response of the main body,the section design,the tunnel safety and the SFT in Norway Sognefjord,etc.

submerged floating tunnels;dynamic response;design progress;safety performance;Sognefjord Strait

U459.5

A

2095-7874（2017）12-0007-04

10.7640/zggwjs201712002

2017-05-10

2017-07-12

交通运输部建设科技项目（201532849A030）

黄柳楠（1993— ），男，江苏泰兴人，硕士研究生，船舶与海洋工程专业。E-mail：yzhlnok@163.com