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摘要:懸浮隧道兼具橋與隧道的共同優點，對環境依賴性小，在跨水域與深水區域的交通應用中具有獨特的優勢和廣闊的前景。本文首先介紹了懸浮隧道的設計方案發展情況，重點總結了不同結構形式的懸浮隧道在各類環境荷載作用下的力學響應特點，并指出了懸浮隧道在將來的實際工程應用中需要解決的幾個關鍵技術問題。
關鍵詞:懸浮隧道;結構設計;力學響應;研究現狀;關鍵技術
0前言
懸浮隧道(SFT)又稱阿基米德橋，是一種跨越水域的新交通形式，其特征是既不埋在河床下，又不擱在河床上，由管體、水下基礎、支撐系統、接頭以及駁岸結構所組成，通過自身重力、浮力以及錨固力來懸浮在水中，外形似倒懸索橋，卻具有隧道的特點。在深海等特殊水域地區，相比傳統跨海結構具有受海底地質影響小、抵御自然災害和戰爭破壞的能力更強，而且具有相當高的性價比。因此，懸浮隧道已成為跨海域交通方式的一個研究熱點。目前，關于懸浮隧道的研究主要圍繞結構設計以及結構在不同外載荷作用下的力學響應特性展開，國內外學者均開展了大量的研究工作，取得了顯著的研究成果。
1懸浮隧道設計方案
較為完整的懸浮隧道基本設計思想是由英國工程師Mr．Grant在1966年提出的。1984年，意大利阿基米德橋公司成立，于1989年對墨西拿海峽提出了ATI－SSST模型(鋼－混凝土－鋼三明治管節)，后又于1996年前后提出了Con-sortiumENI模型(鋼－混凝土－鋼圓形結構斷面)和Sirpro-getti(外鋼管+內殼的結構)模型。按照支撐體系分類，懸浮隧道主要有四種形式:浮筒式、張力腿式、橋墩式以及自由式。張力腿式(浮力大于重力)有結構新穎、受力明確、線路短、跨度大、經濟指標高等優點，但是在洋流荷載作用下會發生類似于斜拉橋拉索振顫現象，綜合來看是目前的最佳支撐體系方案;浮筒式(重力大于浮力)的優點是支撐系統不受海底地質情況影響，缺點是由于洋流荷載的影響，對隧道管段連接處的力學特性要求太高;橋墩式是最傳統的支撐結構，優點是洋流荷載對隧道的影響很小，隧道結構最為穩定，但是施工較為復雜、造價高;最理想的是自由式懸浮隧道，隧道直接與陸地相連接，在水中既不需要錨定，也不需要基座，沒有任何的水中支撐結構，但難度太大?；谝陨系难芯砍晒?，F．M．Mazzolani、ShunjiKanie以及RolfMagneLarssen等分別針對我國千島湖、日本多處海灣峽和挪威Hosfjord峽灣的懸浮隧道方案進行了相應的探究。F．M．Mazzolani［1－2］針對全尺寸懸浮隧道模型———千島湖懸浮隧道設計時認為需要對各種問題進行詳細的考慮，其中主要包括建設位置的選取、結構方案和不同設計階段的設計要求、設計工作和設計成果ShunjiKanie［3］以日本20年來的研究成果為基礎，針對日本擬建跨海通道的多處海峽(峽灣)采用水中懸浮隧道方案的可行性展開了詳細的說明。RolfMagneLarssen［4］針對挪威峽灣水深面寬的特點，重點研究了挪威Hosfjord峽灣的四種支撐體系設計方案。得出結論:在峽灣水深較大時，為獲得足夠的剛度，懸浮隧道選擇浮筒式作為推薦方案;在中度水深時，為了增加結構的水平及豎向剛度，采用錨固于海底的斜拉張力腿來實現。
2懸浮隧道在環境荷載下的力學響應
懸浮隧道懸浮于水中，海面波浪、洋流、海底地震以及其他偶然環境因素(例如沉船、潛艇、內外部爆炸沖擊)等必然對隧道本身產生嚴重影響。國內外專家針對不同結構形式(張力腿式)的懸浮隧道在環境荷載作用下的力學響應特性進行了大量的研究，取得了一定的研究成果。FedericoPerotti［5］在懸浮隧道和懸索橋均為柔性結構體系為基礎上回顧動力特性的研究成果，總結了懸浮隧道在低頻動力響應、沖擊荷載施加及內外部的爆炸荷載作用時的一般性原則，討論了波浪和洋流作用下結構的動力響應以及隧道結構在高雷諾數流體中流固耦合作用和錨固單元由于渦激響應引發大幅度擺動而發生危險的時間。洪友士等［6－8］采用多種方法研究了水動力荷載和偶然荷載作用下懸浮隧道的動力響應。其研究成果涵蓋了懸浮隧道在大縱橫比情況下的不同張力腿錨索傾斜角度產生的渦激效應及其對張力腿疲勞的影響;浮重比(BWR)對張力腿錨索以及管體結構的動力影響;輪廓尺寸、錨索系統剛度等與結構動力響應的關系，在此基礎上開展相應的室內模型試驗得出不同浮重比和張力腿錨索傾角與懸浮隧道在水平振幅和豎向振幅間的變化規律。葛斐等［7－10］建立水中懸浮隧道的錨索在波流場中順流向渦激振動的數學模型，考慮波浪作用、錨索幾何非線性，得出了運動引起的強迫激勵和參數激勵對錨索順流向渦激振動的影響;HiroshiKunisu［11］采用波浪衍射理論，以邊界元法研究了懸浮隧道斷面尺寸及形狀變化時結構所受的波浪效應，以莫里森方程分析阻力效應并與試驗數據進行比較;李勇［12］基于雷諾數和納維爾－斯托克斯方程研究了波浪和洋流共同作用下圓形懸浮隧道的豎向速度分布，計算由此產生的拖曳力與試驗進行對比，并采用最小二乘法推導了風浪及風致洋流誘發的拖曳系數和慣性系數。陸偉［13］基于能量方法建立新的SFT錨索模型來模擬支撐系統的松弛行為，考慮波浪載荷作用，提出SFT錨索松弛－張緊區域圖，直觀定性給出了波浪條件下SFT可能發生松弛的參數區。孫勝男等［14－16］采用伽遼金法和龍格－庫塔法等不同的數值計算方法，研究了懸浮隧道錨索高階渦激非線性振動、懸浮隧道錨索－隧道體耦合非線性參數振動、懸浮隧道錨索非線性渦激振動等問題，建立了不同問題下的數學方程并求解。王變革［17］根據錨索所處的環境和受力特點，選擇了斜拉橋拉索和海洋平臺張力腿兩個已經比較成熟的模型作為參考，建立了簡單的水下懸浮隧道錨索計算模型;計算分析了其在不同條件下的位移模態響應依據錨索的動剪力和動彎矩響應。麥繼婷［18］采用梁元的CR描述法，在考慮波流與結構相互作用的條件下，分析了波浪入射角、表面流速、隧道斷面形式和支撐形式對懸浮隧道動態響應的影響;董滿生［19］用哈密頓混合能變分原理處理了曲線形水中懸浮隧道的兩端邊界條件以及徑向布設的張力腿彈性支撐等問題。周曉軍［20－24］研究成果包括:定常流作用下的圓柱形拉索式懸浮隧道單節管段的動力響應研究、波浪和水流對水中懸浮隧道的聯合作用、多跨水中懸浮隧道管段接頭的力學特性等。他們認為多跨懸浮隧道支撐系統設置是否合理直接關系到隧道的穩定性和修建成本，還發現懸浮隧道振動高階失穩的極限跨度比低階失穩的極限跨度大。
3懸浮隧道安全評價
目前，針對懸浮隧道結構安全評價、懸浮隧道緊急情況下的逃生救援等方面的研究剛起步，研究成果較少。首先，在環境因素使材料性能變化從而導致結構安全性問題方面，洪友士等［6－8］對荷載作用下鋼材在空氣、海水中的相關特性做了相應研究，得出了隧道材料的高頻和超高頻疲勞特性。ZhengqiangLei［25］考慮超高頻條件下錨索金屬材料的微觀敏感度模擬分析，預測張力腿錨索疲勞。ManshengDong［26］在考慮海洋荷載、地震以及偶然因素必然對隧道本身產生極為嚴重的影響的前提下，研究了懸浮隧道在進水等緊急情況下逃生設施的設置問題。
4懸浮隧道發展中亟需解決的問題
懸浮隧道作為綜合性的新興技術，必然要經歷相關的研究瓶頸，由于其結構受力特征與橋梁以及海底隧道都不相同，所涉及的主要工程技術關鍵問題如下。1)超大跨度大長徑比結構的動力響應特性。其管體和錨索屬于大長徑比結構，與小長徑比的柱體不同，要研究波流與隧道結構之間的耦合作用，來揭示隧道管體與錨索在波流作用下的穩定性。2)高平均應力和周期荷載下錨索的力學行為和腐蝕疲勞行為。自重所產生的高平均應力以及外力所致的周期載荷，連接部件之間的應力集中;海水與荷載的共同作用導致的錨索腐蝕疲勞。3)水中耐久性多層復合筒型結構的設計及其水下分段安裝與密封工藝。主要包括:管體結構參數設計;復合筒型結構的強度分析;筒型結構的管段之間的連接、密封和分段安裝技術。4)環境載荷下大長徑比結構的動力響應分析。波浪洋流，極端海況以及地震、偶然沖擊載荷下的懸浮結構動力響應分析技術和相關控制措施。5)復雜地質條件下懸浮隧道錨固連接和陸域連接技術。復雜海底地質條件下的懸浮隧道錨固技術;抗拔樁的極限承載設計和水下施工安裝技術;陸域連接結構設計技術。6)懸浮隧道結構安全和使用安全技術。由于跨越重要的水域通道，既要保證其在受外力撞擊下的結構安全，也要考慮隧道在發生管體破壞時人員的安全逃生。
5結語
目前，懸浮隧道還仍然處于概念設計階段，相信在相關研究人員的不斷努力下，終有一日能攻克技術難關，讓懸浮隧道這種嶄新的交通形式展現于世人面前，為社會創造巨大的效益。
作者:馮治霖 單位:重慶交通大學土木工程學院