一种新型水下交通型式

徐国勇 任雨

【摘要】悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel，简称SFT），是一种新型水下交通型式，它是通过结构自重、水的浮力及锚固力的平衡作用，使其悬浮在水中适当深度的新型管状交通结构物。在跨越大、长、深的水域上，相比于其它型式的跨越方式有着更多的优点，鉴于此，悬浮隧道正越来越受到各国的关注，研究悬浮隧道也变得越来越有必要。

【关键词】悬浮隧道；锚固力；悬浮；交通结构物

1、前言

跨越水域的交通结构形式，按空间位置看，从上至下主要有：桥梁、悬浮隧道、沉管隧道和深埋隧道。与众不同的是，悬浮隧道这种新型水下交通型式是一项尚处于理论阶段的、技术，迄今为止全球未有一例建成或被批准上马的悬浮隧道。悬浮隧道（Submerged Floating Tunnel，简称SFT）又叫阿基米德桥[1]，是通过结构自重、水的浮力及锚固力的平衡作用，使其悬浮在水中适当深度的新型管状交通结构物，其基本结构组成包括四个部分[2]：悬浮在水面下一定深度的管状结构；锚固在水下基础的锚索装置；桥体管节之间的连接装置；隧道与两岸相连的构筑物。

2、悬浮隧道和其它跨越形式综合比较

2.1和桥梁的技术比较

关于桥隧的技术比较频频见诸许多技术报刊与论文，总的说来有以下几个方面：

（1）从运营环境的角度，桥梁的交通状况受气候条件的影响较大；隧道则能全天侯工作，但往往借助于通风和照明技术且相关条件依然逊色很多。

（2）在跨越繁忙的航道时，航道对桥梁的净空要求势必增加桥梁的建设难度和工程造价；而隧道不会丝毫影响水域的航运。但必须补充：多数情况下，单位长度隧道的工程造价要高于桥梁。

（3）由于结构形式和空间位置的巨大差别，桥梁抵御自然灾害和戰争破坏的能力要明显弱于隧道。

（4）在风景区，桥梁的存在是对自然景观的严重破坏；隧道却是不动声色地“暗渡陈沧”，任凭水面波涛汹涌或是平滑如镜。悬浮隧道基本上继承了上述隧道的优势和局限性，不尽相同之处参见下面和其它隧道的技术比较[3]。

2.2和其它隧道的技术比较

如前所述，跨越水域的隧道形式按空间位置主要有悬浮隧道、沉管隧道和深埋隧道。在诸多的隧道形式中，悬浮隧道仍是非常有个性的。

（1）深埋隧道主要受制于地质条件，沉管隧道则对水底的地形地貌要求较高，而悬浮隧道大体上避开了这些问题的困扰，却又独自面对水流速度的影响，研究表明：流速到4m/s时，修建悬浮隧道就有相当的难度了[4，5]。

（2）在同等条件下，悬浮隧道坡度和长度是最小的。这使它的交通状况（包括通行能力和通风条件）要胜过沉管隧道和深埋隧道。

（3）还和沉管隧道一样，悬浮隧道施工平行作业点多，施工速度快，但也一样要受水流速度的影响；同时在施工期间也会影响水域的航运，但仅限于沉放一节管段的空间和时间，程度有限。

（4）主观上深埋隧道给人更稳妥的感觉，但其在地层中受力状态是非常复杂的：首先因为地质勘测不能面面俱到，其次在于我们对地下结构作用机理的认识仍非常有限，在很大程度上还必须依赖于经验性的东西。悬浮隧道和沉管隧道的负荷相对明确和单一[6]，甚至可以在试验中真实的再现，这极大地提高了技术积累的效率和批量建设的可能性。

3、几种常见支撑型式

由于悬浮隧道管体尺寸的设计主要依据隧道的用途、交通能力而定，故隧道管体所受浮力可能大于其自身重量，也可能小于其自重，因此悬浮隧道的支持系统也随之有所不同。根据结构稳定原理的不同，将悬浮隧道支撑系统分为自由式、浮筒式、承压墩柱式和锚链式[7]。

3.1自由式支撑系统

理想的悬浮隧道是将隧道直接与陆地暗挖段相接，在水中既不需要锚锭，也不需要基座。但由于建造自由式悬浮隧道的难度相当大，其结构长度和规模一般不会太大，而且受环境的影响会比较大，不利于其在复杂环境条件下同其他结构进行竞争。

3.2浮筒式支持系统

进行悬浮隧道横断面设计时，在满足结构使用功用的前提下，通过调整管体断面的实空比和压仓载荷使隧道的整体重量较其管段排开的水重，即结构的重力大于其所受到的浮力，在重力和浮力的共同作用下结构处于下沉的状态，结构的稳定通过拉索与水面的浮筒连接。

3.3承压墩柱式

进行悬浮隧道横断面设计时，在满足结构使用功用的前提下，通过调整管体断面的实空比和压仓载荷使结构的重力大于其所受到的浮力，在重力和浮力的共同作用下结构处于下沉的状态。通过固定的海底承压墩柱将隧道管体结构支撑于设计标高，由隧道及其承压墩柱形成的结构体系将相当于一个有固定支撑的水中连续梁桥，因此该种结构形式的悬浮隧道又常被成为桥式悬浮隧道。

3.4锚链式支持系统

进行悬浮隧道横断面设计时，在满足结构使用功用的前提下，通过调整管体断面的实空比和压仓载荷使结构的重力小于其所受到的浮力，在重力和浮力的共同作用下使结构处于上浮状态。结构的稳定是通过锚索将隧道管体与海床基础连接成一体来保证的。该种结构形式的原理是悬浮隧道应该有足够的向上的浮力以保持锚固在海床底部的锚索总是处于受拉状态。

4、展望

SFT作为新兴事物，目前尚未得到社会各阶层的普遍认可。这是因为：1.悬浮在水中易使人产生不安全感；2.海洋环境恶劣，SFT结构长细比大，一些关键工程力学问题及施工技术没有解决。现今在悬浮隧道技术的研究领域， 欧洲起步最早，处于领先水平，特别是意大利、挪威两国对悬浮隧道这种特殊隧道结构进行了广泛深入的研究。而我国对悬浮隧道的研究则处于研究的起步阶段，在悬浮隧道的大多数研究领域还是一片空白，因此有必要对悬浮隧道这一新型隧道结构进行广泛深入的理论和试验研究。

参考文献（References）：

[1] 王梦恕，皇甫明.海底隧道修建中的关键问题[J]_建筑科学与工程学报，2005，22（4）：1—4.（WANG Mengshu，HUANGFU Ming.Key problems on subsea tunnel construction.Journal of Architecture and Civil Engineering，2005，22（4）：1—4.（in Chinese））

[2] 王梦恕.蓬勃发展的中国水下隧道[R].北京：北京交通大学，2005.（WANG Mengshu.Dynamic development of Chinese under·water tunnel[R].Beijing：Beijing Jiao tong University，2005.（ha Chinese））

[3] 麦继婷，关宝树.琼州海峡悬浮隧道的可行性研究[J].铁道工程学报，2003，（4）：93-96.

[4] 卢浩. Morison方程法在深水桥梁地震响应分析中的适用范围研究[D].北京交通大学，2013.

[5] Ingerslev LCF. Understanding Immersed and Floating Tunnels. 29th ITA World Tunnelling Congress. Netherlands，2003：257～263.

[6] 王长春. 水中悬浮隧道与洋流耦合作用的模型试验. 西南交通大学硕士论文. 2003：4～6.

[7] 王广地. 波流作用下悬浮隧道结构响应的数值分析及试验研究[D].西南交通大学，2008.