一種新型水下交通型式

徐國勇 任雨

【摘要】懸浮隧道（Submerged Floating Tunnel，簡稱SFT），是一種新型水下交通型式，它是通過結(jié)構(gòu)自重、水的浮力及錨固力的平衡作用，使其懸浮在水中適當(dāng)深度的新型管狀交通結(jié)構(gòu)物。在跨越大、長、深的水域上，相比于其它型式的跨越方式有著更多的優(yōu)點，鑒于此，懸浮隧道正越來越受到各國的關(guān)注，研究懸浮隧道也變得越來越有必要。

【關(guān)鍵詞】懸浮隧道；錨固力；懸浮；交通結(jié)構(gòu)物

1、前言

跨越水域的交通結(jié)構(gòu)形式，按空間位置看，從上至下主要有：橋梁、懸浮隧道、沉管隧道和深埋隧道。與眾不同的是，懸浮隧道這種新型水下交通型式是一項尚處于理論階段的、技術(shù)，迄今為止全球未有一例建成或被批準(zhǔn)上馬的懸浮隧道。懸浮隧道（Submerged Floating Tunnel，簡稱SFT）又叫阿基米德橋[1]，是通過結(jié)構(gòu)自重、水的浮力及錨固力的平衡作用，使其懸浮在水中適當(dāng)深度的新型管狀交通結(jié)構(gòu)物，其基本結(jié)構(gòu)組成包括四個部分[2]：懸浮在水面下一定深度的管狀結(jié)構(gòu)；錨固在水下基礎(chǔ)的錨索裝置；橋體管節(jié)之間的連接裝置；隧道與兩岸相連的構(gòu)筑物。

2、懸浮隧道和其它跨越形式綜合比較

2.1和橋梁的技術(shù)比較

關(guān)于橋隧的技術(shù)比較頻頻見諸許多技術(shù)報刊與論文，總的說來有以下幾個方面：

（1）從運營環(huán)境的角度，橋梁的交通狀況受氣候條件的影響較大；隧道則能全天侯工作，但往往借助于通風(fēng)和照明技術(shù)且相關(guān)條件依然遜色很多。

（2）在跨越繁忙的航道時，航道對橋梁的凈空要求勢必增加橋梁的建設(shè)難度和工程造價；而隧道不會絲毫影響水域的航運。但必須補充：多數(shù)情況下，單位長度隧道的工程造價要高于橋梁。

（3）由于結(jié)構(gòu)形式和空間位置的巨大差別，橋梁抵御自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭破壞的能力要明顯弱于隧道。

（4）在風(fēng)景區(qū)，橋梁的存在是對自然景觀的嚴(yán)重破壞；隧道卻是不動聲色地“暗渡陳滄”，任憑水面波濤洶涌或是平滑如鏡。懸浮隧道基本上繼承了上述隧道的優(yōu)勢和局限性，不盡相同之處參見下面和其它隧道的技術(shù)比較[3]。

2.2和其它隧道的技術(shù)比較

如前所述，跨越水域的隧道形式按空間位置主要有懸浮隧道、沉管隧道和深埋隧道。在諸多的隧道形式中，懸浮隧道仍是非常有個性的。

（1）深埋隧道主要受制于地質(zhì)條件，沉管隧道則對水底的地形地貌要求較高，而懸浮隧道大體上避開了這些問題的困擾，卻又獨自面對水流速度的影響，研究表明：流速到4m/s時，修建懸浮隧道就有相當(dāng)?shù)碾y度了[4，5]。

（2）在同等條件下，懸浮隧道坡度和長度是最小的。這使它的交通狀況（包括通行能力和通風(fēng)條件）要勝過沉管隧道和深埋隧道。

（3）還和沉管隧道一樣，懸浮隧道施工平行作業(yè)點多，施工速度快，但也一樣要受水流速度的影響；同時在施工期間也會影響水域的航運，但僅限于沉放一節(jié)管段的空間和時間，程度有限。

（4）主觀上深埋隧道給人更穩(wěn)妥的感覺，但其在地層中受力狀態(tài)是非常復(fù)雜的：首先因為地質(zhì)勘測不能面面俱到，其次在于我們對地下結(jié)構(gòu)作用機(jī)理的認(rèn)識仍非常有限，在很大程度上還必須依賴于經(jīng)驗性的東西。懸浮隧道和沉管隧道的負(fù)荷相對明確和單一[6]，甚至可以在試驗中真實的再現(xiàn)，這極大地提高了技術(shù)積累的效率和批量建設(shè)的可能性。

3、幾種常見支撐型式

由于懸浮隧道管體尺寸的設(shè)計主要依據(jù)隧道的用途、交通能力而定，故隧道管體所受浮力可能大于其自身重量，也可能小于其自重，因此懸浮隧道的支持系統(tǒng)也隨之有所不同。根據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理的不同，將懸浮隧道支撐系統(tǒng)分為自由式、浮筒式、承壓墩柱式和錨鏈?zhǔn)絒7]。

3.1自由式支撐系統(tǒng)

理想的懸浮隧道是將隧道直接與陸地暗挖段相接，在水中既不需要錨錠，也不需要基座。但由于建造自由式懸浮隧道的難度相當(dāng)大，其結(jié)構(gòu)長度和規(guī)模一般不會太大，而且受環(huán)境的影響會比較大，不利于其在復(fù)雜環(huán)境條件下同其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行競爭。

3.2浮筒式支持系統(tǒng)

進(jìn)行懸浮隧道橫斷面設(shè)計時，在滿足結(jié)構(gòu)使用功用的前提下，通過調(diào)整管體斷面的實空比和壓倉載荷使隧道的整體重量較其管段排開的水重，即結(jié)構(gòu)的重力大于其所受到的浮力，在重力和浮力的共同作用下結(jié)構(gòu)處于下沉的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定通過拉索與水面的浮筒連接。

3.3承壓墩柱式

進(jìn)行懸浮隧道橫斷面設(shè)計時，在滿足結(jié)構(gòu)使用功用的前提下，通過調(diào)整管體斷面的實空比和壓倉載荷使結(jié)構(gòu)的重力大于其所受到的浮力，在重力和浮力的共同作用下結(jié)構(gòu)處于下沉的狀態(tài)。通過固定的海底承壓墩柱將隧道管體結(jié)構(gòu)支撐于設(shè)計標(biāo)高，由隧道及其承壓墩柱形成的結(jié)構(gòu)體系將相當(dāng)于一個有固定支撐的水中連續(xù)梁橋，因此該種結(jié)構(gòu)形式的懸浮隧道又常被成為橋式懸浮隧道。

3.4錨鏈?zhǔn)街С窒到y(tǒng)

進(jìn)行懸浮隧道橫斷面設(shè)計時，在滿足結(jié)構(gòu)使用功用的前提下，通過調(diào)整管體斷面的實空比和壓倉載荷使結(jié)構(gòu)的重力小于其所受到的浮力，在重力和浮力的共同作用下使結(jié)構(gòu)處于上浮狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是通過錨索將隧道管體與海床基礎(chǔ)連接成一體來保證的。該種結(jié)構(gòu)形式的原理是懸浮隧道應(yīng)該有足夠的向上的浮力以保持錨固在海床底部的錨索總是處于受拉狀態(tài)。

4、展望

SFT作為新興事物，目前尚未得到社會各階層的普遍認(rèn)可。這是因為：1.懸浮在水中易使人產(chǎn)生不安全感；2.海洋環(huán)境惡劣，SFT結(jié)構(gòu)長細(xì)比大，一些關(guān)鍵工程力學(xué)問題及施工技術(shù)沒有解決?，F(xiàn)今在懸浮隧道技術(shù)的研究領(lǐng)域， 歐洲起步最早，處于領(lǐng)先水平，特別是意大利、挪威兩國對懸浮隧道這種特殊隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛深入的研究。而我國對懸浮隧道的研究則處于研究的起步階段，在懸浮隧道的大多數(shù)研究領(lǐng)域還是一片空白，因此有必要對懸浮隧道這一新型隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行廣泛深入的理論和試驗研究。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 王夢恕，皇甫明.海底隧道修建中的關(guān)鍵問題[J]_建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2005，22（4）：1—4.（WANG Mengshu，HUANGFU Ming.Key problems on subsea tunnel construction.Journal of Architecture and Civil Engineering，2005，22（4）：1—4.（in Chinese））

[2] 王夢恕.蓬勃發(fā)展的中國水下隧道[R].北京：北京交通大學(xué)，2005.（WANG Mengshu.Dynamic development of Chinese under·water tunnel[R].Beijing：Beijing Jiao tong University，2005.（ha Chinese））

[3] 麥繼婷，關(guān)寶樹.瓊州海峽懸浮隧道的可行性研究[J].鐵道工程學(xué)報，2003，（4）：93-96.

[4] 盧浩. Morison方程法在深水橋梁地震響應(yīng)分析中的適用范圍研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

[5] Ingerslev LCF. Understanding Immersed and Floating Tunnels. 29th ITA World Tunnelling Congress. Netherlands，2003：257～263.

[6] 王長春. 水中懸浮隧道與洋流耦合作用的模型試驗. 西南交通大學(xué)碩士論文. 2003：4～6.

[7] 王廣地. 波流作用下懸浮隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)值分析及試驗研究[D].西南交通大學(xué)，2008.