國內(nèi)外擬建水中懸浮隧道設(shè)計(jì)方案研究

蔣博林，梁 波

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402260)

國內(nèi)外擬建水中懸浮隧道設(shè)計(jì)方案研究

蔣博林1,2，梁 波1

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402260)

隨著離岸工程技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)跨水域交通需求的增加，水中懸浮隧道以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到關(guān)注。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解這一創(chuàng)新型水下交通結(jié)構(gòu)，結(jié)合近年來國內(nèi)外出現(xiàn)的擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案，對(duì)其中涉及到的斷面形式、支撐系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)連接、結(jié)構(gòu)材料、作用荷載等基本方面進(jìn)行分類概述，最后提出相關(guān)建議及展望。對(duì)國內(nèi)外懸浮隧道設(shè)計(jì)方案的綜述，希望能為今后懸浮隧道的研究、設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

懸浮隧道；水下交通結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方案

隨著交通需求的增加以及工程結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的提升，對(duì)跨越河流、湖泊及海洋的交通構(gòu)造物的研究和建造，越來越受到世界各國政府及研究學(xué)者的關(guān)注。在跨越這些水域時(shí)，可以選擇的跨越備選方案如圖1所示[1]。

① 懸索橋；② 懸浮隧道；③ 沉管隧道；④ 水底隧道

圖1水域跨越備選方案

每一種方案都有其適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，懸浮隧道(Submerged Floating Tunnel, SFT)，又被稱為阿基米德橋(Archimedes Bridge，AB)，作為一種新型的水下交通結(jié)構(gòu)，與其他交通結(jié)構(gòu)相比，具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2]：

(1) 同一選址情況下，相比沉管隧道和水底隧道，其軸向坡度較小，且總體長度較短。

(2) 除極端天氣狀況外，懸浮隧道中的交通運(yùn)行受天氣狀況的影響較小，更智能化。

(3) 屬環(huán)境友好型結(jié)構(gòu)，對(duì)周圍環(huán)境影響較小，不影響通航條件，而且不會(huì)破壞當(dāng)?shù)鼐坝^。

(4) 經(jīng)濟(jì)性更好，懸浮隧道單位長度的造價(jià)比其他傳統(tǒng)隧道和橋梁要低，而且總的造價(jià)不會(huì)隨著跨度的增加而上升，不像橋梁隨著跨度增大，每單位長度的造價(jià)也會(huì)上升。

目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的擬建懸浮隧道主要包括中國千島湖擬建懸浮隧道[1]、中國金塘海峽擬建懸浮隧道[3]、意大利Messina海峽擬建懸浮隧道[4]、挪威H′gsfjord 峽灣擬建懸浮隧道[5]、瑞士Lugano湖擬建懸浮隧道[6]、美國華盛頓湖擬建懸浮隧道[7]、日本Funka灣擬建懸浮隧道[8]、印尼Seribu群島擬建懸浮隧道[9]、墨西哥Baja California擬建懸浮隧道[10]、韓國跨海擬建懸浮隧道[11]等。本文結(jié)合國內(nèi)外擬建水中懸浮隧道的設(shè)計(jì)方案，對(duì)斷面形式、支撐系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)連接、結(jié)構(gòu)材料、作用荷載等基本方面進(jìn)行分類概述，并提出相關(guān)建議和重點(diǎn)研究方向，希望能為以后的懸浮隧道研究、設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 斷面形式及支撐系統(tǒng)

1.1 斷面形式

斷面形式被認(rèn)為是設(shè)計(jì)懸浮隧道時(shí)考慮的最主要因素，它必須具備最優(yōu)化的形狀和尺寸。在斷面內(nèi)部，要有足夠的空間可供車輛或行人通行，以及安裝各種交通設(shè)備，還需考慮通風(fēng)、逃生等通道所占空間；另外，斷面外部也必須設(shè)計(jì)一個(gè)適宜的外形，以降低水動(dòng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。在已有的擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中，以下幾種斷面形式較為常見：

(1) 圓形斷面。圓形斷面是采用最多的一種形式，例如，意大利Messina海峽擬建懸浮隧道圓形斷面設(shè)計(jì)方案[4]，見圖2。這個(gè)圓形斷面內(nèi)部采用雙層設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)置了邊墻將空間劃分為不同的功能區(qū)域。中國千島湖擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案也采用圓形斷面[1]，見圖3。該圓形斷面直徑較小，主要用于行人或小型交通車輛通過，支護(hù)結(jié)構(gòu)是由三層不同材料組成的復(fù)合外殼。

圖2 意大利Messina海峽擬建懸浮隧道圓形斷面設(shè)計(jì)圖

圖3中國千島湖擬建懸浮隧道圓形斷面設(shè)計(jì)圖

(2) 矩形斷面。矩形斷面多用于沉管隧道的設(shè)計(jì)中，但懸浮隧道的設(shè)計(jì)有時(shí)也借鑒沉管隧道的經(jīng)驗(yàn)，如日本的Oinaoshi擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)[8],見圖4。該懸浮隧道是一個(gè)連接海岸和人工島的通道，設(shè)計(jì)采用矩形斷面，可供車輛及行人通行。

圖4日本Oinaoshi擬建懸浮隧道矩形斷面設(shè)計(jì)圖

而規(guī)則的矩形斷面不但會(huì)增加結(jié)構(gòu)所承受的動(dòng)水壓力，并有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。為使矩形斷面結(jié)構(gòu)的受力更加合理，可考慮在矩形斷面周邊增加附屬結(jié)構(gòu)，如墨西哥Baja California擬建懸浮隧道的設(shè)計(jì)方案[10]，見圖5。為了改善該矩形斷面結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的受力情況，設(shè)計(jì)方案中在兩側(cè)添加了特殊的三角形側(cè)翼。

圖5墨西哥擬建懸浮隧道矩形斷面設(shè)計(jì)圖

(3) 橢圓形斷面。橢圓形斷面的水動(dòng)力行為也較好，且斷面利用率高。韓國設(shè)計(jì)的跨海通道就采用了橢圓形斷面的懸浮隧道方案[11]，見圖6。擬建懸浮隧道斷面內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩個(gè)供鐵路交通運(yùn)行的部分，中間部分為人員疏散及通風(fēng)。美國華盛頓湖擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中也采用了類似的橢圓形斷面[7]，見圖7。

圖6 韓國擬建懸浮隧道橢圓形斷面設(shè)計(jì)圖

圖7美國華盛頓湖擬建懸浮隧道橢圓形斷面設(shè)計(jì)圖

(4) 多邊形斷面。阿基米德橋公司于1984年設(shè)計(jì)的意大利Messina海峽擬建懸浮隧道方案，采用的是多邊形斷面[12]，見圖8。斷面設(shè)計(jì)為公路和鐵路隧道兩用，交通斷面周圍的空間可以減輕自重，保持較高的剩余浮力。另外，還可以安裝設(shè)備以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，比如水的進(jìn)入。中國的金塘海峽擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中也采用多邊形斷面形式[3]，見圖9。斷面內(nèi)部有兩個(gè)供車輛行駛的空間，其周邊設(shè)計(jì)有多個(gè)異形囊腔，其作用也是減輕自重，或逃生、救援等。

圖8 意大利Messina海峽擬建懸浮隧道多邊形斷面設(shè)計(jì)圖

圖9中國金塘海峽擬建懸浮隧道多邊形斷面設(shè)計(jì)圖

(5) 其他斷面形式。除了以上提到的懸浮隧道斷面設(shè)計(jì)形式，還有一些其他的斷面形式，例如Alan Grant首次提出的意大利Messina海峽擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中[1](見圖10)，其斷面形式類似于“三明治”的形狀，內(nèi)部由三個(gè)圓形斷面組成，外部還有一個(gè)殼。日本北部灣擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中(見圖11)，也是采用內(nèi)部圓形斷面，外部橢圓形殼體，設(shè)計(jì)有多種用途的空間。

圖10 意大利Messina海峽擬建懸浮隧道組合斷面設(shè)計(jì)圖

圖11日本北部灣擬建懸浮隧道組合斷面設(shè)計(jì)圖

但是由于這種復(fù)合型斷面形式的建造以及拼裝相對(duì)其他幾種斷面形式較困難，因此多見于早期的懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中，近期擬建的工程設(shè)計(jì)中很少采用。

1.2 支撐系統(tǒng)

懸浮隧道的支撐系統(tǒng)，總結(jié)起來共有四種類型[13]，見圖12。

圖12不同形式的懸浮隧道支撐系統(tǒng)

懸浮隧道支撐系統(tǒng)的選用，主要是根據(jù)選址地理位置、周邊環(huán)境、交通用途等決定，也可根據(jù)設(shè)計(jì)的浮重比系數(shù)(Cbwr)進(jìn)行初步判斷：

(1)

其中：B為懸浮隧道管體所受浮力；W為懸浮隧道管體自身重力。

如果：Cbwr=1，選擇自由式；Cbwr<1,選承壓墩柱式；Cbwr>1，選擇浮筒式或張力腿式。

(1) 自由式。自由式?jīng)]有任何支撐系統(tǒng)，因此它的建造長度及承受的荷載就有所限制，采用自由式支撐系統(tǒng)的懸浮隧道主要用于行人或者輕型交通的通道，亦或管道、線纜的跨水通道等。

(2) 承壓墩柱式。由于管體重力大于自身浮力，因此管體底部需要承壓墩柱支撐，墩柱底部還需要設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，整個(gè)結(jié)構(gòu)看起來更像是一座在水中封閉的橋梁，如瑞士Lugano湖懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中的支撐系統(tǒng)就采用了承壓墩柱式，見圖13。

圖13承壓墩柱式支撐系統(tǒng)示意圖

(3) 浮筒式。浮筒式支撐系統(tǒng)跟水深關(guān)系不大，但是對(duì)環(huán)境荷載非常敏感，比如風(fēng)、波浪、洋流，以及可能出現(xiàn)的船只撞擊等。在設(shè)計(jì)時(shí)一方面需考慮通航要求，另一方面就是浮筒失效問題，要保證如果一個(gè)浮筒失效了，其他浮筒能繼續(xù)正常工作。

浮筒式的支撐系統(tǒng)多見于挪威懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中[13](見圖14)。

圖14挪威浮筒式懸浮隧道設(shè)計(jì)圖

(4) 張力腿式。張力腿式是懸浮隧道中最常見的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式， 也最容易被公眾所接受。 由于隧道管體所受浮力大于自身重力， 張力腿式支撐系統(tǒng)僅承受拉力， 以平衡剩余浮力。張力腿式支撐系統(tǒng)多采用錨索， 而錨索的布置形式則包括垂直布索、 傾斜布索、 混合布索、 附加質(zhì)量塊布索等方式[14](見圖15)。錨索設(shè)計(jì)除了軸向的布置形式， 還需要注意錨索之間的間距、 錨索的夾角等因素， 必須保證錨索在運(yùn)營期間不出現(xiàn)松弛， 以維持管段的穩(wěn)定性。

圖15墨西哥擬建懸浮隧道錨索布置形式

2 結(jié)構(gòu)連接及材料

2.1 結(jié)構(gòu)連接

(1) 管段之間的連接。懸浮隧道的設(shè)計(jì)跟沉管隧道相似，主體結(jié)構(gòu)也是被設(shè)計(jì)成若干一定長度的管段先進(jìn)行預(yù)制，然后再拼裝，管段與相鄰管段之間的連接方式可分為三種：柔性連接、剛性連接和半剛性連接。

懸浮隧道管段之間無論是采用哪種連接方式，首先必須保證連接的水密性，參照沉管隧道的設(shè)計(jì)，可采用GINA止水帶或者OMEGA止水帶；另外，還要考慮連接后管體結(jié)構(gòu)整體受力、變形協(xié)調(diào)等問題。

(2) 支撐系統(tǒng)的連接。承壓墩柱式支撐系統(tǒng)的連接可參照橋梁墩柱結(jié)構(gòu)的連接，另外還需考慮浮力及流體腐蝕的影響。

由于流體會(huì)造成錨索的振蕩，因此浮筒式、張力腿式支撐系統(tǒng)與管段或基礎(chǔ)的連接要求采用柔性連接，允許錨索兩端連接處在允許范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。除此之外，連接裝置還要考慮制作及安裝的可操作性。

(3) 管體兩端的連接。懸浮隧道管體兩端與岸基的接駁，根據(jù)地形環(huán)境，可通過傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)(如暗挖隧道、盾構(gòu)隧道等)，與岸邊地面交通線連接，但要注意解決懸浮隧道路線過渡的坡度問題以及接駁處變形、受力的平衡問題。

在千島湖懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中(見圖16)，依照中國傳統(tǒng)建筑樣式，在管體兩端分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)塔狀的連接結(jié)構(gòu)[1]。一個(gè)為車行通道，另一個(gè)為人形通道，其中車行通道內(nèi)部為環(huán)繞型斜坡，墨西哥Baja California懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中也有類似的設(shè)計(jì)[10]。

圖16千島湖懸浮隧道設(shè)計(jì)中對(duì)接結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外，懸浮隧道管體兩端也可選擇與橋梁結(jié)構(gòu)連接，或者修建人工島實(shí)現(xiàn)對(duì)接，如港珠澳大橋中就有橋-島-隧連接的工程實(shí)例；另根據(jù)需要，懸浮隧道管體還可選擇與其他隧道結(jié)構(gòu)連接，如水底隧道或沉管隧道。

2.2 結(jié)構(gòu)材料

懸浮隧道的結(jié)構(gòu)材料可分為管段和錨索兩部分進(jìn)行概述。

根據(jù)已有的研究資料，管段的材料可選擇以下幾種：鋼鐵、混凝土(鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土)、鋁合金、泡沫等。

(1) 鋼鐵。鋼鐵材料廣泛使用于離岸工程結(jié)構(gòu)，在長時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用中，其優(yōu)良的性能也得到了大量實(shí)際工程的驗(yàn)證。

(2) 混凝土(鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土)?；炷敛牧弦矎V泛應(yīng)用于離岸工程結(jié)構(gòu)，特別是在需要大體積重力保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的時(shí)候。鋼筋混凝土在懸浮隧道管段中為結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度和剛度，同時(shí)提供重力以平衡浮力。預(yù)應(yīng)力混凝土由于力學(xué)性能較好，且有較好的防水性能，在離岸工程中也大量使用。

(3) 鋁合金。鋁合金主要用于離岸結(jié)構(gòu)平臺(tái)的露出部分。

(4) 橡膠泡沫。這是一種多孔的橡膠，利用膨脹的聚亞安酯制成，多用于海軍工程中，作用是增加艦艇的浮力。在懸浮隧道的設(shè)計(jì)中考慮使用這種材料，主要用于制造一個(gè)外殼來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低腐蝕和撞擊的影響[15]。

綜上所述，將各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行匯總見表1。

表1 懸浮隧道管段各種材料優(yōu)缺點(diǎn)

綜合考慮材料性能、施工難易程度及經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素，在擬建懸浮隧道的設(shè)計(jì)方案中，管段的材料并非只使用一種材料，而多是采用幾種材料共同組合而成。這樣可使各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，在發(fā)揮其自身優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還能彌補(bǔ)其他材料的缺點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)理念在意大利Messina海峽懸浮隧道[12]、挪威H′gsfjord峽灣懸浮隧道[5]、中國千島湖懸浮隧道[1]等設(shè)計(jì)方案中已經(jīng)得到體現(xiàn)。

錨索作為保證懸浮隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要部分，其材料的選擇也非常關(guān)鍵。關(guān)于錨索的材料，總結(jié)起來，可選擇剛性索、鋼絞線柔性索或輕型化合物柔性索(如CFRP等)[14]等材料。懸浮隧道錨索各種材料的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 懸浮隧道錨索各種材料優(yōu)缺點(diǎn)

3 作用荷載及其他方面

3.1 作用荷載

根據(jù)水中懸浮隧道所處的環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將作用在水中懸浮隧道上的荷載分為環(huán)境荷載、永久荷載、功能荷載、變形荷載和偶然荷載等五種[16]。具體的荷載分類及產(chǎn)生的原因如表3所示。

表3 懸浮隧道承受荷載的分類

在以上荷載的研究中，研究學(xué)者主要集中在波浪力、洋流力、地震激勵(lì)以及支撐結(jié)構(gòu)作用力等方面，另外，對(duì)功能荷載中的交通荷載也有所研究。懸浮隧道所處環(huán)境非常復(fù)雜，目前的研究手段主要包括理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等方法，在以后的研究中還需要更大比例尺的模型，以及模擬更真實(shí)的水域環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 其他方面

懸浮隧道是一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)，且處于水環(huán)境中，因此必須考慮通風(fēng)，如果懸浮隧道距離較長，還必須考慮緊急情況下的逃生救援。如韓國擬建懸浮隧道設(shè)計(jì)方案中[11](見圖17)，每隔一定距離設(shè)置一個(gè)救援塔，頂部有足夠的空間供直升機(jī)起降，還可作為觀光平臺(tái)。

圖17韓國懸浮隧道救援塔設(shè)計(jì)圖

另外，懸浮隧道的建造及拼裝也是懸浮隧道設(shè)計(jì)內(nèi)容中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，還有針對(duì)懸浮隧道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等不同階段的風(fēng)險(xiǎn)研究，在部分設(shè)計(jì)方案中也有涉及。隨著對(duì)懸浮隧道的研究進(jìn)一步深入和細(xì)化，今后的設(shè)計(jì)方案會(huì)更加全面和具體。

4 結(jié) 論

本文對(duì)國內(nèi)外水中懸浮隧道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，概述了已有的設(shè)計(jì)方案中關(guān)于斷面形式、支撐系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)連接、結(jié)構(gòu)材料、作用荷載等基本方面的研究進(jìn)展。初步提出以下建議：

(1) 水中懸浮隧道斷面形式中橢圓形斷面由于其流線型的外觀，水動(dòng)力響應(yīng)較好，以及空間利用率較高，可重點(diǎn)考慮；支撐系統(tǒng)建議采用張力腿式的錨索，傾斜布索；管段之間的連接采用剛性連接，使整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)連接成為一個(gè)整體，岸基接駁采用柔性連接，錨索兩端也采用柔性連接；管段材料建議采用多種材料共同組成，外部可設(shè)置一個(gè)外殼，以保護(hù)管體，錨索材料建議采用柔性化合物材料；作用荷載建議重點(diǎn)考慮波浪、流、地震等，以及運(yùn)營階段的交通荷載。另外，還要考慮通風(fēng)、緊急救援通道等的設(shè)置。

(2) 水中懸浮隧道作為一種創(chuàng)新的跨水域交通結(jié)構(gòu)，其涉及的研究領(lǐng)域非常廣泛且復(fù)雜。而目前很多研究領(lǐng)域的內(nèi)容還很不完善，今后研究的重難點(diǎn)方向應(yīng)集中在以下方面：復(fù)雜環(huán)境荷載(如波浪、流、地震等)作用下的懸浮隧道管體、支撐系統(tǒng)的承載能力和穩(wěn)定性；管體及其高強(qiáng)度支撐系統(tǒng)的疲勞損傷、長期耐腐蝕性；超高周期荷載作用下管段接頭、岸基接駁構(gòu)造及其抗剪、抗扭和防水性能；懸浮隧道被動(dòng)防撞設(shè)施構(gòu)造和材料性能；懸浮隧道各類荷載的計(jì)算方法研究及動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究；以及復(fù)雜洋流和地震等災(zāi)害環(huán)境下的防災(zāi)與救援技術(shù)，此外還包括社會(huì)大眾對(duì)水中懸浮隧道的心理承受能力和認(rèn)可度等方面。

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DesignSchemesofDomesticandOverseasSubmergedFloatingTunnels

JIANG Bolin1,2, LIANG Bo1

(1.CollegeofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.ChongqingVocationalInstituteofEngineering,Chongqing402260,China)

With the development of offshore engineering technology, as well as the increased demand for waterway crossing transportation, submerged floating tunnel (SFT) which has distinctive advantages compare to other waterway crossing solutions attracts more and more attentions. In order to better understand this innovative underwater transportation structure, this paper analyzed the design schemes of domestic and overseas SFT in recent years by considering fundamental aspects such as cross-section, support system, structural connection, structural material, imposed load etc. Several suggestions were proposed which can provide references for future researches and designs of SFT.

submergedfloatingtunnel;underwatertransportationstructure;designscheme

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.014

2017-06-20

2017-07-17

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318740050)

U459.9

A

1672—1144(2017)06—0069—07