水中悬浮隧道初期研究设计

潘玉龙

（聊城大学 建筑工程学院，山东 聊城 252059）

水中悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel，简称SFT），即阿基米德桥，是由意大利西西里的阿基米德轮渡公司联合挪威道路研究实验所共同提出的一种新型结构形式。一般由悬浮在水中一定深度的管体结构、水下基础、支撑系统、管体之间的接头及与两岸相连的驳岸结构组成。

水中悬浮隧道吸引了许多国内外学者去探索研究，像中国、挪威、意大利、美国、日本等国的学者对此研究较为深入，水中悬浮隧道具有自身的特点及难点，不同的国家或水域可能存在不同的困难与问题。类似于台湾海峡海底隧道的修建，岛屿众多的希腊学习水中悬浮隧道技术，以求加强各岛屿之间交通联系，西班牙和摩洛哥研究水中悬浮隧道以加强直布罗陀海峡之间的经济往来。

我国经济的快速发展，沿海地区的经济发展迅速，随之而来的经济建设、开发海资源的需求将会越来越高，改善和提高通过隔海两地的交通能力问题也会日益突出。而我国有着18 000 km 的海岸线，沿海分布着5 000 多个岛屿，还有许许多多海口和港湾，在这些地方建立快捷的交通通道迫在眉睫。值得注意的是，水中悬浮隧道对于解决大陆与岛屿的交通联系，近海地区的交通方式等有很高的研究价值，可以有效提高经济发展。我国虽起步较晚，但有可能成为世界上首个建造水中悬浮隧道成功的国家。

据国内外研究显示，水中悬浮隧道尚未完全形成完备的体系，特殊情况下隧道材料选择、在复杂条件下施工建设安全、风险评估等工程技术问题。

1 水中悬浮隧道类型设计

水中悬浮隧道的建设的技术核心在于隧道的动态控制和结构安全。其中，水中悬浮隧道的类型是初期研究设计中不可忽视的一个环节，不同类型的设计可能会带来不同的动力响应，其相应的结构安全设计要求也不同。根据当前国内外研究现状分析，水中悬浮隧道的类型大致有以下几种：

1.1 浮筒式结构

浮筒式结构是通过控制隧道管体截面的压舱荷载以及密实孔隙比值，使管道承受的浮力比重力小，在力的作用下，隧道有下沉趋势，再采用锚索与浮筒链接，以达到平衡保证整体的稳定性。浮筒式结构设计在水流平缓，波浪浮冰较少，同航量较少的水道中应用较多，这一结构形式不受水体深度的影响，但此结构仅能对隧道提供竖向约束，而对横向约束较弱，在运营期间可能存在一定的影响。

1.2 锚索式结构

锚索式结构是通过控制隧道管体截面的压舱荷载以及密实孔隙值，使管道承受的浮力大于重力，在浮力的作用下，其有上升的趋势，再采用锚索将水中悬浮隧道与海洋底部的固定基础相连接，提供一个反向拉力，以达到力的平衡保证整体的稳定性。锚索式结构一般应用于水流湍急或环境更加恶劣的海洋环境中，其独特的灵活性，可以修建在深度变化范围大的海域，铆索可以一定程度克服深度变化带来的动力响应，做到良好的动态控制，但其受涡激振动影响，寿命缩短，容易发生疲劳损坏而影响整体使用。

1.3 刚性桩结构

刚性桩结构是通过控制隧道管体截面的压舱荷载以及密实孔隙值，使管道承受的浮力比重力小，在重力作用下，其有下沉的趋势，通过刚性桩的固定，使隧道可以悬浮于海洋中，保证其稳定性，类似于海洋中的桥梁。刚性桩结构一般设计在深度不大的海洋环境中，考虑其设计与桥梁类似，对于力的传递等比较明确，设计较为方便，由于需要对桩体进行更高要求的固定，所以对所在环境的土质、水体要求较高，前期选址设计花费时间长，工程难度较大，造价变化相应较大。

2 水中悬浮隧道断面设计

断面形式是水中悬浮隧道在设计过程重最需要考虑的因素之一，无论是断面的内部还是外部设计必须具备最优的尺寸和形状，以保证整体的稳定性。例如，在断面的内部需具备充足的空间以供车辆或行人通行，保证有足够的空间安置各种交通设备以及逃生、通风通道等所占的空间，都必须计算在内，以保证结构的稳定性。根据国内外现有的研究分析水中悬浮隧道设计方案中主要采用以下几种断面形式：

2.1 圆形断面

圆形断面是目前国内外设计方案中出现最多的一种形式，其类似于传统的隧道形式，空间较大，可采用单层直通设计或双层的设计，例如，意大利的圆形断面内部采用双层设计，将内部空间进行划分，不同的空间进行类似的工作，增大了空间，交通更加便利且拥堵情况可明显减少，采用了不同材料组成的外壳做支撑结构。

2.2 矩形断面

沉管隧道中常用矩形断面的设计形式，水中悬浮隧道一般不应用矩形断面的设计，因其难以达到最大效益。但也有国家仿照沉管隧道的形式，采用矩形断面如，日本Oinaoshi 水中悬浮隧道设计方案，采用了矩形断面，将一个海岸与人工岛进行连接，建立一个通道以供车辆或人员通行。但规则的矩形断面往往会带来更大的水动力压力影响，甚至出现集中应力现象，造成结构的破坏。应采用在断面周边增加附属结构的方法，应对特殊条件影响下的结构稳定性问题。见图1。

图1 矩形断面

2.3 椭圆形断面

椭圆形断面相较于圆形断面，其断面利用率较高，受水动力的影响较小，在跨海隧道的建设中有广泛应用。例如，韩国采用椭圆形断面的设计方案进行跨海交通方式设计，并在水中悬浮隧道内部设计了中间供人员通行及通风设计，两侧设计了供铁路通行的双向通道。见图2。

图2 椭圆形断面

2.4 多边形断面

多边形断面设计常用于多种交通方式组合使用，例如铁路公路两用，且断面周围空间可以设计安全通道或设置其他安全设备。例如，意大利Messina 海峡采用多边形断面的设计方案拟建水中悬浮隧道，采用了两种交通方式组合的形式，断面周围的空间可以很好地减轻自重，以保证内部空间的稳定。中国的金塘海峡也拟采用多边形断面的方案设计水中悬浮隧道，以充分利用断面周围空间来设计安全通道、救援通道等。见图3 。

图3 多边形断面

2.5 组合断面形式

组合断面是由各种断面形式组合而成的断面结构。例如，日本北部湾拟建的水中悬浮隧道，内部采用圆形断面设计，设计形式多样，外部椭圆形断面设计，断面周围设置多种用途的空间，两种断面形式结合，既高效又节省资源。

国内外学者针对于水中悬浮隧道的断面形式，对不同的断面形式进行研究、分析，通过更加深入的研究以得到不同断面形式最适宜的设计方式。刘宇等在流势理论计算与结构物之间的相互作用的基础上，用与水平两个方向垂直的线性弹簧来代替锚索结构，以建立二维模型的方案对其进行简化模拟，并采用数据分析计算方法，对比圆形、矩形、椭圆形以及双圆形等五种不同断面形式的响应分析，得到如下结论：不同形式的断面针对于不同的入射波波频运动响应差异明显，垂直方向圆截面的唯一变化为平缓，而水平方向椭圆截面位移变化平缓且位移值较小，综合两个方向而言，椭圆截面更加稳定。

罗刚等针对于水中悬浮隧道断面选择的合理性展开研究，通过模拟实验，对圆形、矩形、椭圆形、多边形等五种断面形式进行比较，以分析各种断面形式在相同的外界条件影响下，如地震带来的水动力影响得出，耳形断面的设计更为合理，其具备更好的稳定性，受周围外力的影响较小，更有利于水中悬浮隧道整体的稳定性。

项贻强等在水中悬浮隧道的研究中，认为断面形式的选择应根据实际的情况进行数据分析去选择，如根据运营目标、设计荷载、通行量等，考量所在环境的情况，选择适宜的材料，综合考量整体的耐久度，抗震性等。同时考虑最大限度满足通行要求，可采用多种交通方式组合形式，主要采用圆形截面和椭圆形截面的水中悬浮隧道，整体由管体结构、水下基础、锚索及两岸的支撑等组成，并在内部周围空间设置通风、排水、逃生等通道，以应对突发事件的发生。

3 结语

就目前国内外研究的热点程度来看，水中悬浮隧道独特的优势，决定了其未来在隧道工程发展中的地位。针对水中悬浮隧道设计的关键问题，综述近年来国内外水中悬浮隧道断面结构形式、水中悬浮隧道在一定条件下的动力响应情况、水中悬浮隧道抗震技术及水中悬浮隧道适应性、稳定性等方面的研究进展研究工作取得了一定的成果。由于能力有限，提出的一种抗震减震效能节点装置仍有许多新问题需要解决，需要在实际应用中不断完善。在水中悬浮隧道的断面形式设计方面，断面形式的选择对隧道整体的受力以及振动影响特别大，在近几年的研究中，浮重比的概念意义重大，所以断面形式的设计需要根据选址地点的不同，各种环境条件都需要考虑周全，最大程度利用各种断面的优点进行组合设计，以求达到经济效益最大化并具有高度的结构整体稳定性。