深水中的棧橋

方玄昌　黃步紅

它是一種水面上看不見的橋梁，無論水面如何波濤洶涌，它都平靜地懸浮在水體之中。

早晨從美國(guó)紐約“家門口”出發(fā)，1個(gè)小時(shí)之內(nèi)越過大西洋直達(dá)英國(guó)倫敦上班，晚上再乘坐“班車”返回紐約吃晚飯。

這是癡人說夢(mèng)嗎？不是的。這是一伙雄心勃勃的美國(guó)科學(xué)家的未來計(jì)劃。他們說，幾百年或者更短時(shí)間之內(nèi)，工程師們將在大西洋海水中間建成一條隧道，人們可以乘坐磁懸浮列車以8000公里以上的時(shí)速穿越大西洋，從而將歐洲和北美之間的旅程縮短在1小時(shí)之內(nèi)。

比較早的時(shí)候，就有人提出建造一條跨越大西洋的線路將歐洲和北美連接起來的設(shè)想。然而，如果采用傳統(tǒng)的橋梁，就勢(shì)必要在數(shù)千米深的海水中打下成千上萬個(gè)巨型橋墩，這簡(jiǎn)直不可想象：且不說建造幾千米高的橋墩的工程難度，單是尋找能夠承受這么高橋墩的自身重力的合適材料就夠科學(xué)家傷透腦筋。在海面上建造浮橋也行不通：海嘯、臺(tái)風(fēng)等因素使之無法穩(wěn)定。第三種方案是打一條海底隧道，但這種方案帶來同樣難以解決的問題：這條隧道幾乎不可避免地要經(jīng)過一些地震帶，并且要經(jīng)過海底火山。

現(xiàn)在有人提出了第四種方案：建造一條懸浮隧道，從海水的中間通過大西洋。這就是被稱為“阿基米德橋”的一種新型水中跨越形式。

一個(gè)世紀(jì)前的構(gòu)思

“阿基米德橋”是一種水面下懸浮隧道，它依靠水的浮力支撐，又通過固定的繩索、錨等固定在水里或某種支撐物上，達(dá)到浮力和支撐力的平衡。隧道中可以行駛車輛，包括汽車和火車。

浮力原理最早由2000多年前的意大利物理學(xué)家阿基米德發(fā)現(xiàn)，所以這種依靠浮力支撐的隧道被叫做阿基米德橋。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所所長(zhǎng)洪友士博士的介紹，阿基米德橋作為一種交通隧道的概念，是在上世紀(jì)初被人提出的。20世紀(jì)中期，阿基米德橋的構(gòu)想被英國(guó)人申請(qǐng)了專利。但直到現(xiàn)在，真正的阿基米德橋還沒有產(chǎn)生，甚至還沒有哪一個(gè)地方的阿基米德橋建造計(jì)劃被正式立項(xiàng)。

究其原因，雖然它的基本原理是清楚的，但是一些技術(shù)上的問題并沒有得到完全的解決。包括結(jié)構(gòu)問題，如隧道節(jié)與節(jié)彼此之間、和岸之間的連接等。還有環(huán)境對(duì)橋的影響，包括波、流、水位落差所造成的影響，都需要有針對(duì)性的研究。

洪友士說，在建造實(shí)際應(yīng)用的阿基米德橋之前，科學(xué)界現(xiàn)在正在進(jìn)行很重要兩個(gè)步驟，第一步是實(shí)驗(yàn)室研究，以1-2米量級(jí)的模型來對(duì)隧道進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，為更大尺寸的工作提供基礎(chǔ)。第二步是研究中等尺寸的模型，即幾十米或十幾米量級(jí)的模型。中等尺寸模型的檢驗(yàn)?zāi)転閷?shí)際阿基米德橋的建造提供一些參照，包括驗(yàn)證其可靠性、安全性等。

第三種選擇

在阿基米德橋的概念提出之前，跨越水域的方式已經(jīng)有多種，包括擺渡、傳統(tǒng)的大橋、浮橋、水下隧道以及海底隧道等等。那么，人們還有必要去發(fā)展這種技術(shù)還不成熟的阿基米德橋嗎？

“阿基米德橋是一種可供選擇的方案。在此之前，從水面和水底通過的方式已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，就是水中還沒有。當(dāng)這種方案技術(shù)上成熟之后，人們遇到問題就會(huì)想，是用A還是B，或者是C？現(xiàn)在C還沒有，我們的當(dāng)務(wù)之急就是把C這個(gè)方案變成可供使用的一種選擇，并且這種選擇是可行的、安全的、可靠的。”洪友士說。

阿基米德橋當(dāng)然有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在一些情況下，比如在一些很深而寬度不是太大的湖泊中，要做一個(gè)水底隧道，連接兩岸的部分就會(huì)比較陡，而阿基米德橋就可以提供一個(gè)坡度不大的交通隧道。另外，它能夠免除掉環(huán)境上的若干問題，包括交通工具的噪音、廢氣污染、對(duì)風(fēng)景的分割破壞等，有保護(hù)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。

阿基米德橋還有一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)。有專家經(jīng)過分析，隨著橋的長(zhǎng)度增加，阿基米德橋單位長(zhǎng)度的造價(jià)基本是持平的。而其它類型的橋，隨著長(zhǎng)度的增加，單位長(zhǎng)度的造價(jià)會(huì)成倍增加。所以當(dāng)長(zhǎng)度相對(duì)大的時(shí)候，阿基米德橋有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，阿基米德橋也有它的局限性，比如它不能建造在水太淺的地方，一般必須在30米或者更深的水里才可以建造。

大西洋隧道的結(jié)構(gòu)組成

美國(guó)已經(jīng)有科學(xué)家對(duì)構(gòu)想中的大西洋隧道進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃。這是人類有史以來規(guī)劃過的最為宏大的工程，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平和發(fā)展速度，專家預(yù)計(jì)它的工期將超過100年。

在主隧道之外，大西洋隧道還有一系列輔助部件。正如洪友士博士所認(rèn)為的，“大西洋隧道是一個(gè)很有創(chuàng)意的科學(xué)幻想，從科學(xué)的角度來看，目前是不可能實(shí)現(xiàn)的。但科學(xué)幻想有時(shí)候也能給人們一種很新穎的思路，促使科學(xué)工作者來攻克一些技術(shù)難關(guān)?！北粯?gòu)思進(jìn)去的大西洋隧道“附件”，也成為了一般阿基米德橋所需要“附件”的典范。

海錨：每段隧道都必須用錨固定在海床上，如此算來，這項(xiàng)工程至少需要10萬個(gè)巨型海錨。隧道必須位于海平面以下45.7米深處，以避開來往的船只，這樣隧道才不會(huì)晃動(dòng)很厲害。

磁懸浮列車：為了讓隧道旅行成為可能，搭載乘客的列車速度必須20倍于如今最快的火車的速度。這意味著磁懸浮技術(shù)將取代傳統(tǒng)的車輪和車軌，以提升、操控和驅(qū)動(dòng)列車。

維修點(diǎn)：維修管道位于隧道主體上下方，作為電力、通信和維修之用。

真空泵：要想達(dá)到每小時(shí)8000公里以上的速度，列車不能遭遇任何空氣阻力，整個(gè)系統(tǒng)必須完全真空，因此龐大的真空泵必不可少。

導(dǎo)軌：隧道內(nèi)設(shè)有一根向東行駛(從紐約至倫敦)的單軌，一根向西行駛(倫敦至紐約)的單軌，以及一根緊急輔助單軌。行駛的列車實(shí)際上并不落在軌道上，而是依靠磁力懸浮在軌道上方約2.54厘米處。

公用管道：隧道內(nèi)的供電線路長(zhǎng)近5000公里。這些電線都鋪設(shè)在公用管道中。

墊圈：從紐約直達(dá)倫敦的隧道由5.4萬個(gè)預(yù)制管件組成，中間用防水真空密閉的墊圈相連。每個(gè)管件的外表均由不銹鋼所制，外包浮力十足的厚泡沫層。

窗口：供乘客瀏覽深海美景。

千島湖將首吃螃蟹？

目前，意大利、挪威、巴西和日本等國(guó)家都在考慮建造阿基米德橋。中國(guó)從2000年開始，準(zhǔn)備選定舟山的金塘海峽建造阿基米德橋，但后來考慮到國(guó)際上還沒有真正的阿基米德橋被立項(xiàng)和建設(shè)，如果一開始就在自然環(huán)境比較復(fù)雜的水域中建設(shè)，遇到的問題可能會(huì)比較多。最終，相對(duì)風(fēng)平浪靜的千島湖后來居上，被考慮作為建造第一座阿基米德橋的地方。

目前中科院力學(xué)擬選定的地方是在千島湖五龍島湖區(qū)，初步考察結(jié)果是：在三個(gè)島嶼之間建立阿基米德橋，長(zhǎng)度為100米+200米(分別連接三個(gè)島嶼)。

“如果搶在其它國(guó)家之前在千島湖建成的話，它的意義比橋本身的用途更為重要：這將是世界上第一座阿基米德橋?！焙橛咽空f。