耿寶磊，劉 宇2,，胡傳琪，金瑞佳,3*

(1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456; 2.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024; 3.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，青島 266100)

懸浮隧道( Submerged Floating Tunnel，簡稱SFT)是一種懸浮在水面下方30 m左右的通道，用于跨越海峽、海灣、湖泊或其他水道的新型交通結(jié)構(gòu)物，由于其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定原理基于阿基米德的浮力原理，所以又被稱為阿基米德橋。在傳統(tǒng)的橋梁、沉管隧道等跨越方式受環(huán)境條件及工程技術(shù)等因素限制的條件下，懸浮隧道為水道的跨越提供了新的方案，并以相對較低的成本、節(jié)約環(huán)保等特性在未來的交通運輸發(fā)展中極具競爭力。

懸浮隧道的概念在國外最早可追溯至19世紀中葉，1923年懸浮隧道在瑞典首次獲得專利[1]，但其實質(zhì)性研究開始于20世紀60年代左右。近年來隨著隧道技術(shù)和海洋工程技術(shù)的飛速進步，意大利、挪威、美國、日本等國家陸續(xù)在計算理論與模型試驗方面進行了大量的研究，其中意大利、挪威研究起步較早，日本的研究始于20世紀90年代。此外，瑞士、巴西、澳大利亞、韓國、伊朗、印度尼西亞等也有部分研究成果。

我國對于懸浮隧道的研究起步晚于歐洲、美國和日本等國家，但起點較高，發(fā)展步伐較快，尤其是進入21世紀以來，已有多項懸浮隧道研究課題獲得了國家自然科學(xué)基金等不同類型的資助研究。此外，2010、2016和2018年，國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)分別在千島湖、重慶和杭州組織召開了三次國際學(xué)術(shù)研討會，2018年中國科協(xié)第20屆年會上將懸浮隧道工程技術(shù)列為12個領(lǐng)域的60個重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題之一。

本文主要圍繞懸浮隧道的水動力問題，從斷面形式、連接方式、水動力荷載及響應(yīng)等方面系統(tǒng)梳理了前人的研究成果，并探討了懸浮隧道的研究方向。

1 斷面形式及管體連接方式

1.1 斷面形式

斷面形式被認為是懸浮隧道中需首先考慮的問題之一。斷面外部需設(shè)計一個合適的外形，必須具備最優(yōu)的形狀和尺寸，以降低水動力等因素對結(jié)構(gòu)的影響從而滿足行人或乘客在隧道中的舒適度；斷面內(nèi)部在擁有足夠的空間供車輛或行人通行的同時，需預(yù)留逃生通道所占空間，還應(yīng)包括用于鋪設(shè)電纜等管線和安裝排風凈化設(shè)備及安裝各種交通設(shè)備的空間。在已有的擬建懸浮隧道設(shè)計方案中，圓形(見圖1～圖3)、橢圓形(見圖4～圖5)、矩形(見圖6)以及多邊形(見圖7)等幾種斷面形式如下:

(1)圓形斷面

圖1 圓形懸浮隧道斷面(意大利Messina海峽)[2]Fig.1ThecircularsubmergedflotingtunnelsectionstudiedfortheItalianMessinastrait[2]圖2 圓形懸浮隧道斷面(中國千島湖)[3]Fig.2ThecircularsubmergedflotingtunnelsectionstudiedforChina′sqiandaolake[3]圖3 圓形懸浮隧道斷面(挪威峽灣)Fig.3ThecircularsubmergedflotingtunnelsectionstudiedforNorway′sfjord

(2)橢圓形斷面

圖4 橢圓形懸浮隧道斷面圖(韓國)[4]Fig.4Thecross-sectionoftheellipticalsubmergedflotingtunnelintheKoreanstudy[4]圖5 懸浮隧道斷面圖(美國華盛頓湖)[5]Fig.5ThesectionofthesubmergedflotingtunnelinthelakeWashington,USA[5]

(3)矩形斷面與多邊形斷面

圖6 矩形懸浮隧道斷面圖(日本Oinaoshi灣)[5]Fig.6Thecross-sectionofrectangularsubmergedfloatingtunnelstudiedinOinaoshibay,Japan[5]圖7 多邊形懸浮隧道斷面圖(中國金塘海峽)[6]Fig.7Thepolygonalcross-sectionofsubmergedfloatingtunnelstudiedinjintangstrait,China[6]

上述提到的懸浮隧道斷面設(shè)計形式各有優(yōu)劣。羅剛等[7]建立數(shù)值模型對比矩形、耳形和橢圓斷面形狀的水動力參數(shù)，耳形斷面具有最優(yōu)特性，矩形的空間利用率最好但其升阻力系數(shù)最大，橢圓表面壓強分布較為均勻有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。Mandara等[8]考慮具有相同運輸布局和容量的圓形和橢圓形截面，從水動力的角度研究表明：橢圓截面的運輸能力稍好，其水平位移更低，流線型的橢圓截面存在更多有利的水動力特性。

此外還有一些其他的斷面形式，復(fù)合型斷面形式的建造工藝以及拼裝技術(shù)與其他幾種斷面相比難度更大，多存在于早期的設(shè)計方案中，在近年來研究的懸浮隧道斷面及擬建的工程設(shè)計中幾乎不考慮。目前對于圓形和橢圓形、多邊形斷面的研究較為廣泛，其中圓形斷面是采用最多的一種形式，各方面壓強分布均勻總體穩(wěn)定性最優(yōu)但空間利用率不高。橢圓形垂向穩(wěn)定性低于水平穩(wěn)定性但其整體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，其以水動力行為較好且空間利用率較高的優(yōu)勢而被廣泛關(guān)注。在綜合幾種斷面形式的優(yōu)勢，設(shè)計出一種新的混合型斷面也極有可能。

1.2 系泊形式

懸浮隧道作為一種被廣泛研究的新型海中交通方式，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可根據(jù)不同的系泊形式實現(xiàn)。懸浮隧道的系泊形式與海域條件、地理位置、跨越峽灣等條件有密切聯(lián)系，一般可分為四種類型：自由式、承壓墩柱式、浮筒式和張力腿式[9]。懸浮隧道的設(shè)計理念歸于阿基米德原理，即通過平衡浮力與重力使結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定。浮力與重力的比值稱為浮重比(BWR), 自由式?jīng)]有支撐連接系統(tǒng)，其浮重比等于1，浮筒式和承壓墩柱式的浮重比小于1，張力腿式的浮重比大于1。支撐懸浮系統(tǒng)的連接還要考慮實際建造及安裝技術(shù)的可行性。

(1)自由式。

自由式的懸浮隧道沒有與結(jié)構(gòu)體連接的支撐系統(tǒng)，其浮力等于重力，僅靠管段主體與兩岸的連接進行約束，此種系泊形式會面臨極多的條件限制，在波流荷載作用下其運動響應(yīng)顯著，內(nèi)部通行的行人與乘客容易感到不適，自由式的設(shè)計相對來說不切合實際，通常情況下不考慮自由式懸浮隧道。

(2)承壓墩柱式。

承壓墩柱式的懸浮隧道其結(jié)構(gòu)類似于橋梁墩柱，相當于建設(shè)在海底的一座橋，只不過橋梁由隧道管段代替。承壓墩柱式的自身重力大于浮力，通過自身重力使隧道結(jié)構(gòu)在海中達到穩(wěn)定。管體底部有承壓墩作為支撐，承壓墩底部建設(shè)好地基與海底相連。承壓墩柱式懸浮隧道形式相對簡單，受到的荷載作用明確，可以根據(jù)已經(jīng)通行的跨海大橋等海上工程的建設(shè)經(jīng)驗設(shè)計懸浮隧道方案[10]。

(3)浮筒式。

浮筒式懸浮隧道管段的重力大于所受浮力，其通過漂浮在海面的浮筒增加浮力來平衡管體結(jié)構(gòu)使之穩(wěn)定。浮筒式結(jié)構(gòu)在垂直方向受到約束但是在水平方向可以自由移動，在海中容易受到水流、波浪的影響發(fā)生位移變化。在挪威Hcgsfjorden海峽修建懸浮隧道提案的最初想法就是采用浮筒式，并給出了四種不同的設(shè)計方案[11]。

(4)張力腿式。

張力腿式懸浮隧道是通過錨索或張力腿連接管體與海底實現(xiàn)自身穩(wěn)定。張力腿式所受浮力大于自身重力，必須通過錨索或張力腿來平衡多余的浮力來穩(wěn)定管體的位置，錨索與管體的連接必須滿足允許范圍內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動來減小波流的振蕩影響。懸浮隧道形式中，張力腿式被更加廣泛的研究。麥繼婷等[12]計算分析波流作用下張力腿隨時間的受力變化，流速大小對繞軸線方向的彎曲應(yīng)力有影響，不同波浪作用下張力腿軸向應(yīng)力變化顯著。秦銀剛和周曉軍[13]探究不同張力腿傾角、軸向剛度以及初始剛度對懸浮隧道動力響應(yīng)的影響。董滿生和張嫄[14]設(shè)計一種新型的“V”型錨固結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)錨固形式相比增加了懸浮隧道在水下的穩(wěn)定性與安全性。麥繼婷等[15]對比錨鏈與張力腿支撐結(jié)構(gòu)，分析得到錨鏈約束的懸浮隧道在波流荷載作用下運動響應(yīng)更小。

1.3 其他連接系統(tǒng)

懸浮隧道的連接系統(tǒng)包括系泊系統(tǒng)、管段結(jié)構(gòu)之間的連接系統(tǒng)以及主體結(jié)構(gòu)與兩岸之間的連接系統(tǒng)。

懸浮隧道是跨湖跨海的大尺度結(jié)構(gòu)，設(shè)計一個完整的主體并不現(xiàn)實，必須經(jīng)過拼接事先預(yù)制好的短管段實現(xiàn)，因此管段連接的不透水性必須保證。拼接的管段間會在波浪荷載、移動荷載等荷載作用下發(fā)生變形，連接處必須滿足可能受到的極限荷載且不發(fā)生過大的變形。連接形式按接頭剛度和管段剛度的差異可分為剛性和柔性[16]，對于柔性連接可采用 GINA 止水帶和OMEGA 止水帶連接，剛性連接可采用 GINA 止水帶和連接鋼板連接。

懸浮隧道管體兩端與岸基的接駁可根據(jù)地形環(huán)境通過傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)與岸邊地面交通線連接，但要注意解決懸浮隧道過渡段的邊坡問題以及接駁處變形、受力的平衡等問題。此外，懸浮隧道管體兩端也可選擇與橋梁結(jié)構(gòu)或其他隧道結(jié)構(gòu)連接，例如修建人工島實現(xiàn)與橋梁、沉管隧道等結(jié)構(gòu)的連接。晁春峰[17]運用大質(zhì)量法建立三維的土彈簧約束的懸浮隧道的數(shù)值模型，研究了土體性質(zhì)對邊岸連接周圍的邊界條件的影響。 肖劍和黃國君[18]采用鉛芯橡膠支座這種岸橋連接方式對地震響應(yīng)進行研究，發(fā)現(xiàn)可以有效減震并降低結(jié)構(gòu)位移。

2 水動力問題研究

2.1 水動力荷載

懸浮隧道所承受的荷載類型可被分為：環(huán)境載荷、永久載荷、功能載荷、變形載荷、意外載荷等，現(xiàn)階段研究熱點主要集中在環(huán)境荷載上。懸浮隧道作為一種新的海洋結(jié)構(gòu)物，直接處于波浪與水流共同作用的環(huán)境之下，波流荷載會對懸浮隧道工程的造價、安全度及使用壽命造成重要的影響。董滿生等[19]針對波流荷載作用下流固耦合理論建立分析模型并進行阻力系數(shù)、慣性力系數(shù)的實驗研究，進行波浪作用下錨固系統(tǒng)的渦激振動數(shù)值分析。

在波流荷載的計算中應(yīng)用較多的有Morison方程和繞射理論兩種，但是兩種假定都有其自身適用范圍。其中Morison方程是在1950年由Morison 等人提出的，考慮了水的粘性與慣性對波浪力的影響，但沒有考慮波浪繞射的影響；繞射理論由MacCamy和Fuchs在1954年提出，假定流體無粘、不可壓縮、運動是有勢的，并利用了線性化的自由水面條件。

(1)波浪荷載。

金瑞佳等[20]基于勢流理論，采用高階邊界元方法建立數(shù)學(xué)模型，分析了懸浮隧道在波浪作用下，圓形、橢圓形和雙圓截面結(jié)構(gòu)所受波浪激振力、附加質(zhì)量和輻射阻尼，研究了結(jié)構(gòu)物不同淹沒深度、不同截面形狀以及結(jié)構(gòu)不同特征參數(shù)對其水動力特性的影響。麥繼婷[21]研究水平波浪力作用下懸浮隧道的管體特性，根據(jù)實際工程懸浮隧道的直徑并結(jié)合波長的合理長度，采用勢流理論下的波浪繞射理論計算了作用在懸浮隧道上的波浪荷載。干湧[22]通過金塘海峽的三個實際基本參數(shù)(波高、波長以及物體在波浪方向上的投影尺寸)之間的關(guān)系確定波浪力的計算方法，波浪力由Morison方程計算得到，并結(jié)合其他荷載對金塘海峽水下懸浮隧道進行了空間靜力整體分析。王廣地等[23]以圓形斷面為例，分析了過渡區(qū)與深水區(qū)懸浮隧道結(jié)構(gòu)波浪力的變化特征，其采用Morison方程計算波流荷載，對波流荷載分布特征的進行研究，在過渡區(qū)中，波浪力隨水深增加而變小，變化速度不斷減少，在深水區(qū)海水深度不會對波浪力造成影響，可以據(jù)此對懸浮放置深度進行調(diào)整。葛斐等[24]對懸浮隧道做出了相應(yīng)簡化，考慮錨索橫向和軸向兩個方向的振動耦合作用后采用Hamilton原理, 建立了懸浮隧道的動力響應(yīng)模型, 探討了波浪力作用下錨索的變形及懸浮隧道管段的不同自由度之間的關(guān)系，研究在規(guī)則波作用下懸浮隧道的動力響應(yīng)特性。

麥繼婷等[25]通過對懸浮隧道跨中單元的位移響應(yīng)幅值及所受平均應(yīng)力的結(jié)果進行了分析：隨著放置深度增加，懸浮隧道的動力響應(yīng)明顯減少；波浪傾斜入射時懸浮隧道位移響應(yīng)亦明顯減少；圓形隧道位移響應(yīng)幅度遠小于橢圓斷面的相應(yīng)值。陸維等[26]通過對不同浮重比水下懸浮隧道動力特性的試驗研究表明，在波浪作用下，懸浮隧道管段模型在水平方向和豎直方向的最大位移均受浮重比影響。曹勇軍[27]利用Airy線性波浪理論計算波浪作用下流體的速度勢，運用有限元計算軟件建立了懸浮隧道動力響應(yīng)計算模型，計算分析了入射波高和浮重比對懸浮隧道橫蕩位移和垂蕩位移的影響：隨著入射波波幅的增加,懸浮隧道的橫蕩位移呈線性增加,而垂蕩位移僅略有增加，懸浮隧道浮重比對橫蕩位移影響很小,但對垂蕩位移影響較大。

(2)洋流荷載。

田雪飛[28]基于分層理論模型和勢流理論建立了層化海洋內(nèi)波流場并疊加洋流流場形成聯(lián)合流場，為波流荷載的計算提供了基礎(chǔ)，采用了Morison公式和Galerkin 法對聯(lián)合荷載下的流體作用力進行了分析和計算，為建模提供了理論指導(dǎo)。巫志文等[29]研究了懸浮隧道錨索結(jié)構(gòu)在隨機波浪力的作用下的動力響應(yīng)，利用虛擬激勵法和Galerkin法建立一種新的計算錨索動力運動的數(shù)學(xué)方法，為實際情況下的錨索設(shè)計提供更加真實的模擬計算。李勤熙和蔣樹屏[30]設(shè)計物體模型試驗以研究懸浮隧道在不規(guī)則波作用下不同波高和周期對隧道管段的壓強和錨索張力的變化。羅剛等[31]利用fluent軟件研究分析不同斷面懸浮隧道在流荷載作用下不同流速、入射角等對管段壓力分布和升阻力的影響，秦銀剛，周曉軍[32]研究懸浮隧道在均勻流作用下橫向受力情況，比較分析流荷載強度、漩渦釋放頻率和管段尺寸等影響因素對懸浮隧道穩(wěn)定性的影響。

Tian[33]等建立隧道流體相互作用的非線性振動數(shù)學(xué)物體模型并研究了內(nèi)波與洋流聯(lián)合作用下SFT的位移響應(yīng)?；堇诘萚34]研究懸浮隧道在均勻流作用下的動力響應(yīng)，建立計算模型并得到隧道橫向振動的微分方程，利用伽遼金方法和四階龍格庫塔方法對方程進行求解，排除了系統(tǒng)的阻尼對結(jié)構(gòu)的振動周期的影響；研究表明結(jié)構(gòu)的振幅可隨均勻流的速度以及隧道長度的增大而增大，振動曲線衰減到一個穩(wěn)定值所需要的時間隨均勻來流速度增大而越少，隨隧道長度增大而減小。胡鴻運[35]在沒有考慮懸浮隧道體系與洋流耦合效應(yīng)的情況下，建立力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型，對定常流作用下的圓柱形拉索式懸浮隧道單節(jié)管段進行力學(xué)響應(yīng)分析。秦銀剛[36]針對懸浮隧道的動力響應(yīng)進行研究，最大振動位移隨流速的增大而線性增大，在相同流場環(huán)境條件下,增加支撐張力腿數(shù)量能減小管段結(jié)構(gòu)的受力和動力響應(yīng)幅度,但是會使張力腿的響應(yīng)規(guī)律更加復(fù)雜；兩節(jié)管段的動力響應(yīng)規(guī)律與單節(jié)管段相似,單節(jié)段的速度響應(yīng)幅度大于兩節(jié)段的速度響應(yīng)幅度。閆宏生等[37]通過求解渦激振動方程，研究不同流速下參數(shù)激勵對纜索橫向振動的影響，并且分析纜索和隧道耦合時纜索的運動響應(yīng)。

2.2 錨索結(jié)構(gòu)的渦激振動

懸浮隧道錨索處于水面30 m以下, 它的渦激振動主要是由于波浪以及水流對于錨索的兩側(cè)交替產(chǎn)生的旋渦作用引起的。在海洋環(huán)境中，懸浮隧道的錨固系統(tǒng)極有可能發(fā)生渦激振動。錨索與海洋工程領(lǐng)域中的柔性海洋結(jié)構(gòu)物相似，渦激振動是此類結(jié)構(gòu)物疲勞損壞的根源，錨索系統(tǒng)的渦激振動分析是懸浮隧道結(jié)構(gòu)分析的重要組成部分。

麥繼婷等[38]研究了懸浮隧道錨索在水流作用下的橫向渦激振動，并考慮了張力的變化對錨索橫向渦激振動的影響；葛菲等[39-40]考慮隧道振動對張力腿的激勵進一步研究張力腿的渦激振動, 建立了懸浮隧道錨索在波流場中順流向渦激振動的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)考慮隧道對張力腿的激勵影響時, 錨索順流向渦激振動的振幅明顯大于不考慮外激勵影響時的渦激振動振幅；當強迫激勵和參數(shù)激勵同時存在時，渦激振動的振幅由于兩種激勵的相互作用而明顯增大。在上述張力腿渦激振動研究中，張力腿垂直于水平面。但在實際工程中，張力腿不垂直于水平面，所以有必要考慮波流作用下傾斜張力腿的渦激振動，而且進一步研究張力腿橫向渦激振動對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。陳健云等[41]在考慮錨索垂度的基礎(chǔ)上,討論了錨索傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對錨索橫流向渦激振動的影響，建立了懸浮隧道錨索-隧道體耦合非線性振動數(shù)學(xué)模型，根據(jù)斜拉索振動微分方程，分析了影響懸索隧道錨索渦激振動的因素。晁春峰[42]根據(jù)千島湖懸索隧道設(shè)計方案，采用分離耦合法分析了均勻流作用下懸索隧道錨索的渦激振動特性，考慮到渦激振動是錨索等結(jié)構(gòu)疲勞損傷的根本原因。

渦激振動會給懸浮隧道結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、持久性帶來影響，部分學(xué)者針對懸浮隧道(錨索)結(jié)構(gòu)在抑制渦激振動方面開展了相關(guān)研究。一方面是通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的動力這一消極應(yīng)對策略來減弱渦激振動的影響。Dong等[43]提出在一個穩(wěn)定的分層海洋中建立起組合流場，通過控制由組合載荷引起的SFT的自由振動來達到振動控制的目的，得出可以利用結(jié)構(gòu)本身的特點來達到減振的目的這一觀點，同時印證了振動控制可以在不需要任何附加設(shè)備的情況下完成。另一方面是通過控制和改變漩渦的形成和發(fā)展過程這一積極應(yīng)對策略來降低渦激力。晁春峰等[44]采用改變柱體截面形狀或添加附屬擾流裝置的方法來達到抑制懸浮隧道錨索渦激振動的目的；三螺旋線相比整流罩和控制桿這兩種方案對于不同來流角度具有更好的抑振效果，整流罩的抑制效果隨來流角度的增大逐漸增強。Ding等[45]提出錨索穩(wěn)定性的未來主要方向，可以集中在研究錨索長度、厚度、傾角、間距等特性參數(shù)，以適用于錨索本身的減振器的半主動或主動減振控制方法的方向上。Lin等[46]提出了一種采用碳纖維增強聚合物(CFRP)的水下懸浮浮隧道方案，建立了CFRP索-鋼管系統(tǒng)的耦合振動模型，既驗證了CFRP的優(yōu)勢也為錨索材料選用方面提供新的思路。

3 結(jié)論與展望

懸浮隧道作為一種新型的交通方式，其結(jié)構(gòu)的獨特性和建設(shè)環(huán)境的復(fù)雜性給實際的設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)，總結(jié)前人的研究成果，筆者認為在懸浮隧道的水動力問題研究方面需更多關(guān)注以下問題。

(1)懸浮隧道斷面形式的選取需要通過一系列的數(shù)學(xué)模型與物理模型試驗分析確定，尤其面對復(fù)雜水域環(huán)境時，需重點關(guān)注較大雷諾數(shù)下截面形式的水動力響應(yīng)規(guī)律。

(2)懸浮隧道的系泊形式選定需考慮懸浮隧道的放置深度、浮重比、不同的海域條件等影響因素，并需分析不同波流荷載、地震荷載、沖擊荷載等作用下的懸浮隧道運動和動力響應(yīng)。

(3)由于渦激振動對懸浮隧道結(jié)構(gòu)會造成破壞，以及錨泊系統(tǒng)發(fā)生渦激振動帶來的疲勞損傷等問題，如何通過調(diào)整斷面形狀、增加抑制裝置等方法減少渦激振動需要開展進一步研究。

(4)關(guān)于全跨度懸浮隧道彈性模型的研究，不能簡單地把懸浮隧道與環(huán)境之間的關(guān)系狹隘的看做均勻水動力條件與簡支梁之間的流固耦合，而是需要建立一個更為精確更為復(fù)雜的等效模型進行研究。

當前，我國在橋梁與水下沉管隧道的建設(shè)方面的技術(shù)日趨成熟，這對于懸浮隧道的發(fā)展具有積極的推動作用，開展懸浮隧道研究有助于提升我國水運工程的核心競爭力，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)與學(xué)科的發(fā)展，推動我國交通強國戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。