悬浮隧道

1.背景
       近年来,水下隧道的建设水域逐渐由地势平坦的江河向沟槽发育的海湾和海峡发展,传统建设工法在复杂水域面临着巨大挑战,需要不断突破和创新。“钻爆法+盾构法”、“沉管法+悬浮法”和“盾构法+悬浮法”等组合工法已成为工程建设的备选,其中的水中悬浮隧道,现已成为重点研究方向之一。
       2.概念
       悬浮隧道SFT(Submerged Floating Tunnel)又名阿基米德桥,它是一个圆形或椭圆形的管道结构,被悬挂在数个浮体(浮桥船)下,形成可供通行的水下隧道。它依靠浮力支撑隧道重量,避免影响水上交通及被天气影响,隧道建于水底,但为免承受过大水压,常建于20-50米深,也便于大吨位船只通行。

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3.起源
       比较完整的SFT初期设计构想最早由英国的Mr.Granl提出。在此基础上,各国结合自身的不同情况,针对本国海峡,提出了各具特色的 SFT 设计方案及初步施工技术。开展SFT工程技术研究的欧美国家主要有意大利、挪威、瑞士、希腊、西班牙以及美国。1984 年,在意大利注册的阿基米德桥公司针对墨西拿海峡提出了钢-混凝土-钢三明治管节模型SFT方案,后又于1996 年先后提出Consortium ENI模型(钢-混凝土-钢圆形结构断面)和Sirprogetti模型(外钢管+内壳结构) 。

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4.优势
       ■ SFT由分段管节连接而成,受水深和跨度的限制小,且单位长度的造价不随跨度的增加而增加。
       ■ SFT处于水面下一定深度,受水面恶劣气候影响小,并且不影响水面交通,也不会破坏水面上的自然景观。
       ■ 与水底隧道和沉管隧道相比,SFT在穿越湖泊和海峡时的水深更浅。这将大大降低隧道的纵坡和长度,且不需要进行大规模挖掘,既降低了建造的经济成本,又减少了汽车尾气的排放,环保优势明显。
       ■ SFT通过锚索与地基相连,地震等冲击荷载通过基础和应力波由水间接作用在SFT结构上,有消能和缓冲效果,而对于水底隧道和沉管隧道,冲击荷载则直接作用在隧道结构上。
       5. 支撑系统
       悬浮隧道的支撑系统,总结起来共有四种类型,见图3。
       ■ 自由式。自由式没有任何支撑系统,因此它的建造长度及承受的荷载就有所限制,采用自由式支撑系统的悬浮隧道主要用于行人或者轻型交通的通道,亦或管道、线缆的跨水通道等。
       ■ 承压墩柱式。由于管体重力大于自身浮力,因此管体底部需要承压墩柱支撑,墩柱底部还需要设计基础,整个结构看起来更像是一座在水中封闭的桥梁,如瑞士Lugano湖悬浮隧道设计方案中的支撑系统就采用了承压墩柱式。
       ■ 浮筒式。浮筒式支撑系统跟水深关系不大,但是对环境荷载非常敏感,比如风、波浪、洋流,以及可能出现的船只撞击等。在设计时一方面需考虑通航要求,另一方面就是浮筒失效问题,要保证如果一个浮筒失效了,其他浮筒能继续正常工作。浮筒式的支撑系统多见于挪威悬浮隧道设计方案中。
       ■ 张力腿式。张力腿式是悬浮隧道中最常见的支撑系统设计形式,也最容易被公众所接受。由于隧道管体所受浮力大于自身重力,张力腿式支撑系统仅承受拉力,以平衡剩余浮力。张力腿式支撑系统多采用锚索,而锚索的布置形式则包括垂直布索、倾斜布索、混合布索、附加质量块布索等方式。

 3  不同形式的悬浮隧道支撑系统

6.断面结构型式
       隧道断面形状主要取决于隧道设计功能、设计荷载和交通量等,并综合考虑隧道结构的防灾和耐久性。从满足公路交通和铁路交通的角度出发,隧道断面形式以圆形和箱型截面为主,而水中悬浮隧道则需要考虑应急通道、排风通道、检测通道及压水舱和排水舱等功能。挪威、意大利、中国、美国、日本等结合本国不同情况,针对其国内的海峡,提出了各具特色的悬浮隧道初步设计方案及施工技术方案,形成了以下 4 种典型的水中悬浮隧道断面型式设计方案,见图4。

4  典型水中悬浮隧道断面设计方案

7.结论与展望
    (1) 水中 SFT 的经济和环保优势明显,国家发展和社会进步的需求突出,但各国的 SFT 研究方案均未有付诸实施的报道,主要可以归结为技术和社会进步的局限。具体来说: 一是许多 SFT 的技术问题还有待研究,安全性和稳定性设计尚不成熟; 二是社会对 SFT的安全要求不仅仅在技术安全层面; 三是缺乏建造和设计 SFT 的技术规范和工程标准。
    (2) SFT 的关键参量“协同浮重比”涵盖了结构张力腿锚索布置形式、倾角和浮重比与 SFT 水平、竖向振幅间的相互作用关系。考察综合性参量有助于研究结构自振频率、支撑系统张力水平的归一化变化规律。将锚索视为受张力的梁,进行管段与锚索运动耦合分析更为接近结构的真实运动情况。
    (3) SFT 的模型试验经历了由静水试验到纯流、规则波浪和随机不规则波的发展,试验条件也由单一化造流水池到风浪流波浪水槽,甚至深水大型波浪流水池发展,波-流耦合、流-固耦合、动水与静水结合是SFT 模型试验未来的发展趋势。
       参考文献:
       [1]蒋树屏,李勤熙.水中悬浮隧道概念设计及动力分析理论与模型试验进展[J].隧道建设(中英文),2018,38(03):352-359.
       [2]丁浩,程亮,李科.悬浮隧道结构动力响应研究进展与展望[J].隧道建设(中英文),2019,39(06):901-912.

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责任编辑:editor

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