黃柳楠，李 欣，伍紹博

（上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

水中懸浮隧道關(guān)鍵問題研究進展

黃柳楠，李 欣，伍紹博

（上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

2016年挪威松恩（Sognefjord）峽灣第一條水中懸浮隧道的正式開建有力推動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，隨著研究的深入，水中懸浮隧道作為深水條件下跨海通道設計方案的優(yōu)越性愈加突出。文中主要就水中懸浮隧道的動力響應、設計參數(shù)、安全性能以及挪威松恩海峽水中懸浮隧道等方面的研究進展進行綜述。

水中懸浮隧道；動力響應；設計進展；安全性能；松恩海峽

0 引言

水中懸浮隧道（Submerged Floating Tunnel），又稱阿基米德橋，一般分為張力腿式、浮筒式和立柱支撐式3種類型（圖1）。因其具有單位長度造價低、對環(huán)境整體影響小、受天氣影響小、過往車輛能耗低等優(yōu)勢，建設水中懸浮隧道逐漸成為各跨大面積水域交通工程的熱門候選方案，挪威、意大利、美國、日本、中國等對此均有不同程度的研究。盡管其概念已經(jīng)提出近160 a，但至今世界上還沒有建成水中懸浮隧道。2016年，挪威耗資250億美元打造的松恩海峽“兩車道”水中懸浮隧道正式開建，預計將于2035年完工。自2004年由中國力學研究所與意大利阿基米德橋公司共同簽署“中意阿基米德橋聯(lián)合實驗室合作協(xié)議”并開展多項研究工作以來，國內(nèi)各單位對水中懸浮隧道的研究逐年增多，且取得了一定的研究成果。

本文將從水中懸浮隧道管的動力響應、設計進展、安全性能等方面介紹研究進展，并結(jié)合挪威在建的松恩海峽水中懸浮隧道的情況，對水中懸浮隧道未來的研究進行展望。

1 水中懸浮隧道的動力響應

討論水中懸浮隧道的動力響應是分析其適用性必不可少的重要問題。水中懸浮隧道荷載條件較為復雜，主要類型見表1。

目前關(guān)于動力響應的研究主要集中在數(shù)值計算方法、減振設計、地震激勵影響等方面。由于以交通為主要目的的水中懸浮隧道不同于傳統(tǒng)的海洋工程結(jié)構(gòu)物，它對動力響應的要求更加嚴格，但現(xiàn)有的主要分析工作尚處在線性計算層面，深入研究和試驗相對稀缺，研究成果還不能滿足現(xiàn)實工程需求。

本節(jié)將針對水動力和路面荷載作用下的水中懸浮隧道動力響應的研究進展進行說明。

圖1 水中懸浮隧道分類型Fig.1 Classification of submerged floating tunnels

表1 水中懸浮隧道所受主要載荷Table1 Main load on the SFT

1.1 水動力響應

現(xiàn)有的計算大都偏于二維線性問題，沒有考慮湍流情況，且與實驗結(jié)合不多，其研究結(jié)果的可靠性有待驗證。

在計算方法上，Mandara A等[1]在軟件ABAQUS中綜合運用計算流體力學和有限元方法，對水中懸浮隧道流固相作用的研究相對比較全面，后期研究還應探討非定常流速下的響應規(guī)律。Seo等[2]提出了一種簡化的理論方法，采用線性波理論和莫里森方程同時計算受力，并通過測試物理模型在波浪水槽中進行了可靠性驗證。

在外在地震引發(fā)的載荷激勵上，Lee J H等[3]研究了矩形剖面水中懸浮隧道的二維地震響應，指出在系統(tǒng)垂直地面的地震響應運動上，流體的壓縮性、海水的深度、隧道結(jié)構(gòu)在水中的位置和吸收能量的海底的柔軟性大幅影響水中懸浮隧道系統(tǒng)。Ling Kang等[4]對水中懸浮隧道在渦激振蕩和地震激勵下的響應進行了線性研究，探索了纜繩間距與水中懸浮隧道響應的關(guān)系。

1.2 路面載荷引起的動力響應

在路面載荷方面，現(xiàn)有研究主要就路面狀況以及載荷運動情況對水中懸浮隧道管運動的影響展開研究，初步取得了一些規(guī)律性的認識。

Jiang B等[5]為了獲得對交通荷載計算值等因素的影響程度和水中懸浮隧道的動態(tài)響應和各因素的權(quán)重，運用了正交試驗法和層次分析法，結(jié)合有限元模擬軟件，提出了一個水中懸浮隧道的交通荷載計算公式。此外，Liang B等[6]還綜合考慮交通荷載的影響機理，基于車流量特性和結(jié)構(gòu)特性算法，通過對水中懸浮隧道交通負荷成分影響因素分析，提出了波浪力作用下水中懸浮隧道交通荷載表達式，可為動態(tài)響應相關(guān)算法研究作參考。

2 水中懸浮隧道的設計進展

水中懸浮隧道在截面設計方面也有進展。此外，作為隧道系泊系統(tǒng)的主流設計方案，張力腿式懸浮隧道系泊系統(tǒng)在參數(shù)選擇、抑振與耗散裝置方面的研究也取得了進步。

2.1 截面設計

隧道截面的設計對隧道的受力及振動影響很大，近些年的研究對純矩形截面的響應規(guī)律有新認識，并且突出了浮重比BWR（Buoyancy-Weight Ratio）的意義?，F(xiàn)有分析結(jié)合流體計算發(fā)現(xiàn)，矩形截面隧道迎流會產(chǎn)生水平推力和向上的升力，橢圓截面隧道結(jié)構(gòu)面對來流相對平衡穩(wěn)定。在水下懸浮隧道的設計部分，將矩形截面和橢圓截面的優(yōu)點相結(jié)合，力求達到優(yōu)化成本、施工和性能的目的。

2.2 張力腿式水中懸浮隧道系泊系統(tǒng)設計

系泊系統(tǒng)是張力腿式懸浮隧道設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Cantero D等[7-9]提出的不穩(wěn)定構(gòu)造下的解析表達式允許多模態(tài)振型在小跨比中的貢獻。Lin F等[10]對不同布置方式下（詳見圖2），系泊系統(tǒng)的水動力特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)錨索的傾斜式布置適用于水波浪和水流荷載的差異較小的情況，而混合式布置適用于較低波高和以水流為主要荷載的情況。Guo S等[11]考慮了容易安裝的懸鏈線式系泊系統(tǒng)，對水中懸浮隧道運動的振幅和頻率以及系纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)對系泊線位移和動態(tài)張力的影響進行了分析。

圖2 張力腿式懸浮隧道系泊系統(tǒng)Fig.2 Tension leg type SFT mooring system

作為水中懸浮隧道安全性與實用性方面的關(guān)鍵問題，抑振與耗散裝置在減振設計上，現(xiàn)有研究主要還是從優(yōu)化系泊系統(tǒng)垂向剛度、增加抑振裝置角度考慮。董滿生等[12]探討了在不安裝減振的情況下，水中懸浮隧道甚至可以通過完善自身結(jié)構(gòu)來大幅削弱隧道管振動的可能性。晁春峰、項貽強等[13]借鑒傳統(tǒng)海洋立管渦激振動抑制經(jīng)驗，對螺旋條紋、控制桿和整流罩3種裝置在水中懸浮隧道錨索抑振效果上進行研究，凸顯了三螺旋線的優(yōu)越性。

3 水中懸浮隧道的安全性能研究進展

水中懸浮隧道本身是位于水面以下的超大型結(jié)構(gòu)物，無論是在施工建造還是運營維護過程中，一旦發(fā)生安全事故，后果將不堪設想。國內(nèi)多從地震激勵等外在突發(fā)載荷進行研究，挪威則在隧道形變、爆炸等方面研究較多。

魡rhus G H等[14]結(jié)合挪威松恩海峽水中懸浮隧道，考慮了所需材料的抗腐蝕性、延展性和吸收能量的能力。同時分析了加筋板受橫向載荷和軸向擠壓，討論各種結(jié)構(gòu)相對于大小、障礙的位置。研究的不足在于評價沒有包括損傷狀態(tài)下的靜水穩(wěn)定性初步評價。

T覫mte A等[15]選用了一個由混凝土與泡沫鋁構(gòu)成的與單層板等價的三明治結(jié)構(gòu)模型進行研究，討論了利用鋁泡沫制作的可以吸收爆炸時能量的內(nèi)部構(gòu)件，從而保護針對爆炸荷載的混凝土墻的可能性。

4 松恩海峽水中懸浮隧道設計概念

挪威最早在1998年就提出修建水中懸浮隧道，但因為種種原因未能建成。目前在建的松恩海峽水中懸浮隧道，海峽全長3.7 km，寬1 250 m。水中懸浮隧道為雙管段式，兩個管段交通方向相反，同一管段內(nèi)設同向兩車道。管段采用浮筒式系泊，管段間設有逃生通道。隧道主體位于水下30 m，管段直徑15 m，浮筒直徑42.8 m。其中，水中懸浮隧道中部約400 m范圍內(nèi)為了便于往來船只穿梭未設置浮筒。隧道整體呈弧形，圓弧半徑為2 682 m，連接兩岸的弦長為3 700 m，弧頂距離弦長740 m。松恩海峽水中懸浮隧道見圖3、圖4。

圖3 松恩海峽水中懸浮隧道效果圖Fig.3 Design sketch of Sognefjord SFT

圖4 松恩海峽水中懸浮隧道俯視圖Fig.4 Top view of Sognefjord SFT

松恩海峽水中懸浮隧道的設計經(jīng)過了1 000余個算例、50 000 CPU小時的計算，包括桁架、浮筒、纜繩、主體形狀、水深等因素都經(jīng)過了周密的考慮。部分隧道主體的響應計算結(jié)果見表2。在安裝方面，松恩海峽水中懸浮隧道設計為先將隧道主體管段拖行至安裝水域，與海底錨索連接后再注水下沉，并與同樣被拖行過來的浮筒連接。整個隧道最終按此方法完成安裝。

表2 特定計算工況下不同阻尼系數(shù)隧道響應情況（風：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 未來展望

水中懸浮隧道是一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，由于其獨特的結(jié)構(gòu)形式和復雜的工作環(huán)境，它比橋梁和常規(guī)水下隧道要復雜得多。

1）在動力響應方面，需要更全面、多角度研究流固相互作用問題。已有研究模型過于簡化，很多研究忽略阻尼項，并且只考慮均勻流、簡支梁下的流固相互作用。還可以完善計算模型，考慮湍流等復雜流場下以及模擬不同天氣下隧道的響應，研究流體結(jié)構(gòu)相互作用的影響及作用機理，更好地描述真實條件的狀況。

2）在設計方面，要從成本出發(fā)，綜合考慮管段截面形狀設計、浮重比和系泊系統(tǒng)垂直剛度、布置方式。尋找合適的抗沖擊、抗疲勞、水密性好和耐腐蝕的新型材料。

3）在安全設計方面，除了繼續(xù)對地震高發(fā)區(qū)域下地震激勵對水中懸浮隧道的沖擊進行研究，同時還要考慮當水中懸浮隧道沉船，行車碰撞、爆炸、火災和錨索斷裂發(fā)生等極端情況。

雖然水中懸浮隧道仍存在著一些問題和挑戰(zhàn)，但世界上第一條水中懸浮隧道在松恩海峽已經(jīng)進入初步設計階段。水中懸浮隧道具有很多的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其在跨海工程中，它將在未來的交通建設和發(fā)展中發(fā)揮不可替代的作用。

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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

交通運輸部建設科技項目（201532849A030）

黃柳楠（1993— ），男，江蘇泰興人，碩士研究生，船舶與海洋工程專業(yè)。E-mail：yzhlnok@163.com