悬浮隧道结构动力响应研究进展与展望

丁 浩， 程 亮， 李 科

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

0 引言

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。

秦安县水土流失严重，生态环境恶劣，干旱缺水是制约经济和社会发展的最大瓶颈。建立一个合理高效的生态系统，以可持续发展为目标，通过加大花椒产业基础设施建设投入，引进先进花椒品种及栽培技术。增建节水灌溉设施、增施有机肥、改善土壤理化性状等耕作技术，调整当地种植结构，建立科学合理的耕作制度，推广地膜覆盖、设施栽培技术，充分利用天然降雨，减少地下水的使用，制定立体高效生态林果业等一系列措施，控制生态系统的恶化，实现环境、经济和社会的可持续发展。

悬浮隧道(submerged floating tunnel，SFT)也被称为“阿基米德桥”，是一种跨越长大水域的新型交通构筑物，见图1，主要由依靠浮力悬浮在水下一定深度处的隧道管体、限制管体过大位移的锚固装置以及衔接两岸的驳岸段等组成[1]。悬浮隧道主要有自由式、浮筒式、立柱支撑式和锚索式4种。水中悬浮隧道具有对环境整体影响小、车辆能耗低、受天气影响小、造价低、运营阶段不受恶劣气候影响且能耗低等优势，成为21世纪最具竞争力的跨海结构形式。挪威、中国、美国、意大利、日本等对水中悬浮隧道开展了大量可行性研究，为各跨大面积水域交通工程建设提供更多的备选方案[2-6]。据报道，2016年，挪威耗资250亿美元打造的松恩海峡“2车道”水中悬浮隧道已开始建设，预计将于2035年完工[7]。

(a) 外观示意图

(b) 结构示意图

本文综述近年来国内外悬浮隧道断面结构型式、管节结构动力响应、锚索涡激振动、悬浮隧道试验技术及悬浮隧道适应性等方面的研究进展，总结悬浮隧道研究存在的关键问题，讨论悬浮隧道需进一步深入研究的方向。

1 悬浮隧道分类与断面结构型式

1.1 悬浮隧道分类

水中悬浮隧道主要有自由式、浮筒式、承压墩柱式和锚索式4种类型，由于控制原理存在差异，各类悬浮隧道的优缺点及适用范围也不同，见表1。

分别以HPS、PCV2、APP、SS、B.subtilis、E.coli、Salmonella、S.aureu的DNA以及CSFV的cDNA为模板，按照优化后体系进行ddPCR检测，验证特异性。

在深水环境修建悬浮隧道，需要考虑结构浮重比和外部水压等永久荷载，隧道运营过程中的交通荷载，水流、波浪等环境荷载，由地震、撞击等产生的意外荷载，以及由于外部环境变化产生的变形荷载、盐度荷载等。水中悬浮隧道荷载条件较为复杂，主要类型见表2。

1.2 悬浮隧道断面结构型式

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[8-9]，见图2。

文献[10-11]针对均匀流或典型水域的水中悬浮隧道，对不同断面型式下结构表面的压强分布、断面升阻力变化和结构稳定性进行研究，提出合理的断面型式建议。

文献[12-13]通过研究断面型式的相关内容，认为水中悬浮隧道断面选型存在以下几个方面的共识： 1)随着来流速度的增加，结构表面正负压强区均有所增大。2)迎流面宽度对悬浮隧道周围压力场分布影响很小，对结构升力和阻力影响明显。3)高宽比一定时，升阻力系数变化为钝角断面>无钝角断面； 尾流区大小为圆形截面>椭圆形截面>耳形截面>多边形截面。

尽管圆形断面是更稳定的流体静力学结构型式，但对于处于复杂动水环境中的悬浮隧道，耳形或椭圆形断面型式的悬浮隧道稳定性好、所受升力和阻力较小更为合理。考虑到水下悬浮隧道往往具有相对更大的截面尺寸，其对周围流场会产生较大影响，对水流、波浪作用在结构上的阻力与浮托力会产生更大影响。因此，根据工程海域潮流运动为显著往复流这一性质，并综合考虑各方面的影响，设计出了适合该海域的悬浮隧道断面型式，见图3。

表1 水中悬浮隧道类型对比

(a) 意大利Messina海峡悬浮隧道

(b) 中国金塘海峡悬浮隧道

(c) 喷火湾悬浮隧道

(d) 日本明石海峡悬浮隧道

图3某海峡悬浮隧道公路双向四六车道+双线高速铁路断面设计方案

Fig. 3 Cross-section of a SFT accommodating highway with dual direction four-lane (six-lane) carriageways + double-track high-speed railway

2 悬浮隧道结构动力响应研究

通过对水中悬浮隧道的优缺点及适用性分析可以预测： 锚索式水中悬浮隧道的可行性及适用性优于其它3种类型的悬浮隧道，在未来工程建设中具有很强的优势和竞争力。因此，本文主要总结锚索式水中悬浮隧道的研究现状，并展望其发展方向。

表2 水中悬浮隧道所受主要荷载

目前，关于水中悬浮隧道结构动力响应的研究主要集中在以波、浪、流为主的环境荷载，以地震力为主的意外荷载和以浮重比为主的永久荷载几方面，这几个方面的研究现状总结如下：

2.1 环境荷载下悬浮隧道管节动力响应

文献[14-15]根据流场的势函数，推导出二维、三维流场中作用在管体上的流体力表达式，并通过求解运动微分方程，对管体刚度、长度及锚固刚度等关键参数进行讨论。Seo等[16]提出了一种简化的理论方法，采用线性波理论和莫里森方程同时计算受力，并通过测试物理模型在波浪水槽中进行了可靠性验证。

文献[17-18]针对波、流作用下悬浮隧道的响应问题，开展了波、流共同作用下悬浮隧道的静、动态响应及漩涡诱发结构物的动态响应研究。利用Morison方程求解作用在悬浮隧道上的流体作用力，建立了悬浮隧道结构系统的静、动态响应分析有限元数值计算模型，得出静、动态响应的求解方法，并利用该方法对海况条件、结构断面型式、放置深度和支撑型式等因素对悬浮隧道的动静态响应影响进行了计算分析。文献[19-20]采用梁单元的CR列式法，在波浪与悬浮隧道管节结构相互作用的条件下，对波浪入射方向、放置深度及断面型式等对悬浮隧道管节动力响应的影响进行了分析。

文献[21-23]提出了一种研究悬浮隧道管节结构在参数激励和水动力激励联合作用下的非线性动力响应理论方法。认为当流速达到一定值时，锚索的涡激振动(VIV)会引起结构的强烈共振，悬浮隧道位移幅值随波高的增加而增大。管节结构的浮重比(GBR)和锚索的锚固角度(IMA)共同决定了悬浮隧道的固有振动频率。

Perotti等[42]在研究悬浮隧道管段和锚索的地震效应时，采用三维梁单元模拟悬浮隧道管段、杆单元模拟锚索，结果表明： 具有不同锚索长度的悬浮隧道管段的动力响应差别很大，说明管段的动力响应主要由锚索柔度决定。

2.2 交通荷载下悬浮隧道管节动力响应

模型试验是悬浮隧道研究的一种重要手段。在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，利用相关测试仪器观测悬浮隧道模型动力响应，能够推断原型可能发生的力学现象，同时验证理论推导与数值分析模型，为后期设计建造悬浮隧道提供相关的科学依据和方法。特别是对于水域环境复杂并伴随各种动力响应的悬浮隧道，开展模型试验研究相较于数值模拟等其他方法更具实际和科学意义。

项贻强等[30]通过将悬浮隧道简化为等间距弹性支撑梁，基于Morison方程，在综合考虑流体附加惯性效应和阻尼效应的基础上，采用振型叠加法和Galerkin法建立悬浮隧道在移动荷载作用下的振动微分控制方程，并采用四阶龙格-库塔法进行数值求解，以此对移动荷载作用下悬浮隧道的动力响应进行了分析。

文献[31-32]将交通荷载简化为等间距移动的集中荷载，建立了悬浮隧道动力学模型，并分别研究了张力腿竖向刚度、交通荷载、行车间距对悬浮隧道动力响应的影响。文献[33-34]中，采用移动振动荷载模拟悬浮隧道中的交通荷载，通过开展数值模拟和正交试验，分析了车辆轮载、路面不平度、行驶速度等参数对悬浮隧道跨中竖向振动位移的影响。

2.3 偶然荷载下悬浮隧道管节动力响应

地震、沉船、撞击、锚索断裂失效等偶然荷载是悬浮隧道运营过程中不可避免的威胁。偶然荷载发生概率低，持续时间短，但荷载量值非常大，严重威胁结构安全。因此，开展偶然荷载动力响应研究，揭示悬浮隧道力学行为，制定相应的防护措施，对于保障悬浮隧道结构安全十分必要。

孙胜男等[35-36]通过开展悬浮隧道地震响应模型试验，模拟分析了地震激励下悬浮隧道-水体的相互作用，分析了悬浮隧道地震荷载作用下的反应特点，以及影响悬浮隧道动力响应的主要因素。文献[37-38]为模拟真实的海洋地震条件，利用欧拉梁理论和伽辽金法，建立了水下浮动隧道索在水动力和地震作用下的分析模型。利用随机相谱法描述了地震在时域内的随机激励，讨论了水动力、地震和结构参数等关键参数对索动力响应的敏感性。晁春峰[39]引入忽略隧道管体弹性变形等假定，推导了理想流体层中悬浮隧道受平面P波(纵波)引起的动水荷载理论计算方法。

文献[40-41]基于欧拉梁理论推导出悬浮隧道管段受迫振动时的运动方程，采用虚拟激励模拟随机地震输入，数值模拟了悬浮隧道管体在平稳随机地震作用下的动力响应。

国内外学者关于悬浮隧道结构动力响应的研究主要考虑均匀流、简支梁下的流固相互作用，建立结构动力响应分析模型。由于理论推导存在的局限性，已有研究模型相对过于简化，很多研究忽略阻尼项。因此，采用数值模拟与模型试验相结合的方法，考虑湍流等复杂流场开展悬浮隧道结构动力响应研究，分析流体结构相互作用的影响及作用机制，更好地描述真实条件状况将是下一步研究结构动力响应的重要手段。

“文化置换是赫维与希金斯所采用的术语，用来指“译者在把源文本内容转移到目标文化语境的过程中，可能会采用的对字面翻译的各种不同程度的偏离”（1992：28）按照他们的观点，所有的文化置换都是与字面翻译站在相反面上的。这样做的效果就是译本中源语的特征非常有限，而其与目标语文化的距离却非常接近”。（转引自谭载喜，2005，p.49）

3 悬浮隧道锚固形式与锚索涡激振动研究

悬浮隧道锚索具有柔度大、阻尼小、质量轻的特点，相比于隧道管体更容易在各种激励下产生振动。作为悬浮隧道的关键组成部分，国内外学者围绕锚索振动开展了大量研究。

文献[24-25]通过建立均匀来流作用下水中悬浮隧道动力响应计算模型，并利用伽辽金方法和四阶龙格库塔方法求解方程，研究了隧道长度和均匀来流流速对水中悬浮隧道横向振动响应的影响。以千岛湖悬浮隧道的构想方案为工程背景，在考虑非线性流体阻力和锚索非线性回复力的影响基础上，建立结构有限元模型，探讨管体基本参数对结构在动水荷载作用下动态行为的影响，认为管体浮重比(BWR)对悬浮隧道和锚固系统的动力响应都起着至关重要的作用，在设计阶段应予以着重考虑[26-28]。

本文针对“拍照赚钱”应用程序所建立的任务定价优化设计模型，改善了现有定价方案的任务完成情况，对现有的任务定价方案的改进提供了较大的帮助。并且提出了一套较为合理的评价指标体系，该评价指标体系还可用于评价现实生活中其他定价方案的优劣。

文献[43-44]通过分析锚索质量比、阻尼比、来流速度、流向运动等因素对锚索横向涡激振动的影响，获得了锚索涡激振动的相关诱因，并采用模态叠加法深入研究相关因素对锚索涡激疲劳损伤的影响。麦继婷等[45]应用Galerkin方法和数值积分法，借用海洋平台中张力腿的动力方程，认为锚索的变形更接近于受张力的梁。

文献[46-47]采用交替荷载路径法(AP法)模拟了索的破坏过程，然后，根据哈密顿原理建立了悬浮隧道管的微分方程，并采用四阶龙格-库塔法求解。以此讨论浮重比、悬浮隧道阻尼比、断线时间、断线位置等关键参数对结构振动的影响。

宝玉给晴雯写了《芙蓉女儿诔》，黛玉帮着修改，写出了“茜纱窗下，我本无缘；黄土垄中，卿何薄命？”的诗句。

洪友士和丁浩等在交通运输部科技项目“深海悬浮隧道关键技术的前期研究”的资助下，以缆索的倾角、缆索间的夹角以及缆索对数为变量，建立了多种不同的缆索倾斜模型和扇形模型，得到了不同模型下水下悬浮隧道管段沿水流方向的位移以及单根缆索上的最大张力，提出了适合某海峡特定海况的水下悬浮隧道最优布置型式[25,28,48]。

国内外学者针对锚索动力响应的研究，主要通过把锚索简化为无质量的弹簧或只能承受拉力的杆单元，建立动力学分析模型，研究锚索的涡激振动状态，并没有考虑锚索的变形。然而，锚索的变形特性更接近于受张力的梁，不仅具有轴向刚度，而且还有弯曲刚度。目前，仅有少量学者对这个问题做了初步研究。同时，学者对于悬浮隧道管节结构和锚索结构的研究主要采用独立分析的方法，而二者动力响应是相互作用的，因此，悬浮隧道管节结构与锚索结构耦合动力响应将是下一步深入研究结构动力响应的重点。

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4 悬浮隧道模型试验

Martire等[29]以固定均布荷载的方式模拟交通荷载，分析了不同锚索布置型式的悬浮隧道动力响应。Tariverdilo等[15]采用沿管体纵向移动的集中力模拟悬浮隧道中的交通荷载，研究了移动荷载激励下悬浮隧道的动力响应。

国内外对于悬浮隧道管段模型试验主要以二维水槽试验和水池试验为主，悬浮隧道管节以圆形断面模型为主，试验荷载以波浪、洋流和地震荷载为主。国内外关于水中悬浮隧道模型的试验情况见表3。

左小龙说：你不会丢这个工作，但是我们可以搞一个合唱团，这就是上次我要和你说的事，我们有地，你看，我们有地，我们弄一个合唱团，一个月后，有一个合唱比赛，我们去参加，肯定能赢。

北方的冬天，有着纯洁的美。夜间下雪时，我总爱站在街灯下，头向上仰望着，眼睛努力睁大，看着被灯光折射过的飞雪，雪花调皮地打在脸上，有些渗入衣服里，一阵冰凉的感觉传来，可我却感觉不到冷。路上的行人很少，雪地上只有一些稀稀疏疏的脚印，也许是因为都不忍心破坏这纯洁无暇的美丽风景吧。眼前的路是一片洁白，似乎已经铺上了一条白地毯。雪花不时地飘到我的脸上，抬头望去，每一片飞舞的雪花，在灯光的映射下，仿佛就是一簇簇从天上洒下来的银屑。

文献[49-50]进行了浅水中悬浮隧道的模型试验，得出锚索张力随着规则波周期的增加而增加的结论。Oh等[51]和Seo等[52]也通过波浪水槽中的规则波物理试验研究了悬浮隧道在波浪作用下的水动力特性，发现锚固系统对结构的运动位移有着重要影响。

干湧[53]开展了悬浮隧道的静水荷载试验，获得了管段在静水荷载作用下的空间应力分布。晁春峰等开展了悬浮隧道锚索流固耦合振动节段模型试验及悬浮隧道整体冲击响应模型试验，观察到锚索涡激振动现象，发现圆形锚索倾斜布置有利于降低涡激共振的不利影响[47, 54]。

周晓军团队设计建造了可调节流速的试验水池，用以研究悬浮隧道管段的运动特性。麦继婷等[17]和田雪飞等[55]对海洋内波波浪力条件下的悬浮隧道管节动力响应进行了研究。秦银刚等[56]和王广地[57]利用该水池开展了悬浮隧道结构节段模型试验，研究了水流作用下悬浮隧道结构的空间应力和锚索轴力分布规律。

表3 国内外主要悬浮隧道管段模型试验参数

悬浮隧道物理模型试验由静水试验到在纯流、规则波浪、随机不规则波等单一荷载试验再发展到波浪流耦合荷载试验，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、动荷载与静荷载结合等多场耦合条件下多管节甚至完全结构模型试验是悬浮隧道模型试验未来的发展趋势。

第二，建立透明的遴选机制以保障社会组织的主体独立性。即按照机会公平的原则进行制度供给。政府购买公共服务是政社合作的典型模式，有利于发挥社会各治理主体的积极性，是多元治理的重要探索。其本质是弥补政市双失灵的支持性活动，目的在于发挥各治理主体的优势作用。然而，社会环境及社会组织内部的不完善使其承接政府购买服务还未实现实践效度较成熟的制度化发展。因此，社会组织承接愿望强而供给能力弱，组织发展状况不均衡的情况普遍存在。所以，细化对公共服务承接方的组织资质、专业化程度、承接期限及成果要求是关键。应对参与竞标的组织进行专业化动态性考察与评估，避免劣币驱逐良币的不良后果。

李勤熙等[58]利用该实验室以琼州海峡跨海通道工程为背景，开展了迄今最大比尺(1∶40)的物理模型试验，模拟了9种工况，研究了悬浮隧道结构在不同波浪周期、波浪高度下的压强变化特性，认为波高是影响悬浮隧道结构稳定的主要因素之一，其中短周期波浪对结构稳定性的影响应重点关注，见图4。

公路隧道建设技术国家工程实验室自主设计建成了水下隧道实验室，水池尺寸为36 m×31 m×3 m。该实验室基于大比尺模型试验方法，在试验水池内根据实际条件设计相应的外部边界条件以及沉管或悬浮隧道模型，同时利用造波、造流设备产生不同的流场环境，模拟真实的复杂水文环境； 利用先进的数据采集设备测试隧道结构体系各关键部位和区段在拖曳、沉放和静置等不同阶段的力学响应，采集包括速度、位移、加速度、锚索间距以及流固耦合产生的动力响应等控制性参数，从而为水下隧道工程的设计提供试验依据。

(a) 静水状态

(b) 试验进程

5 悬浮隧道适应性

海洋中修建隧道多考虑以下3种： 盾构隧道、沉管隧道、悬浮隧道。盾构隧道施工简便、工序单一、不受洋流及波浪力影响，但当跨越海峡时，需保证埋深、覆土层厚度，导致盾构隧道埋深过深，纵坡不宜调整。沉管隧道分阶段施工，工序较盾构隧道繁杂，运营期间不受洋流波浪的影响，但对河床纵断面要求高，纵坡沿河床实际纵坡布置，可调整范围较小。悬浮隧道在跨越深海海峡方面有着明显优势，对海床纵断面要求小，可跨越海底复杂地形，但会受洋流、波浪力影响。在浅水深及近接海岸部分没有明显优势，但可与盾构隧道、沉管隧道结合修筑，充分发挥各自优势。

2.2 不同non-HDLC、LDL-C达标情况患者的预后比较 随访结束时，根据non-HDLC、LDL-C达标情况的不同，将患者分为双不达标组、单LDL-C达标组、单non-HDL-C达标组及双达标组。结果发现，四组患者的临床终点，仅有全因死亡率指标存在显著差异（P＜0.001），双不达标组的死亡率最高，单达标组次之，双达标组的死亡率最低。其他的主要及次要临床终点事件发生率均差异无统计学意义（P＞0.05）。见表2。

蒋树屏等[59]以琼州海峡为背景，通过对悬浮隧道管节结构受压状态、锚索状态等问题进行分析认为：

1.2.1 一般情况调查表 包括年龄、职称、学历、护龄、编制、医院种类、科室、收入、职务、翻班与否和日工作时间等。

1)在海流和波浪单独作用下，管段迎浪面压强和锚索张力随海流流速和波浪周期的增大而增大。悬浮隧道管段的迎浪面压强和锚索张力随埋置水深的增大而增大，主要原因是管段结构受绝对水深压强影响。

考虑试件加载经历的4个受力阶段，将节点骨架曲线简化为考虑刚度退化的四段折线模型。骨架曲线各特征点分别为开裂点A(Pc, Δc)；屈服荷载点B(Py, Δy)；峰值荷载点C(Pmax,Δmax)；极限荷载点D(Pu, Δu)。其中屈服荷载点B采用“通用屈服弯矩法”求得，极限荷载点D取峰值荷载的85%。由于各试件骨架曲线存在一定差异性，首先对各试件骨架曲线进行无量纲化处理，如图7所示，+Pmax和+Δmax分别表示节点正向加载的峰值荷载及其对应的位移，-Pmax和-Δmax分别表示节点负向加载的峰值荷载及其对应的位移。

2)在波流耦合作用下，悬浮隧道管段的迎浪面压强、锚索张力的变化幅值随水深的增大而变小，主要是因为管段结构受绝对水深压强影响。悬浮隧道结构管段压强极值差、锚索张力随管段埋置水深变化的规律近似满足指数分布，通过分析可以得到不同水深下不同工况管段的压强极值差。

经以上分析，可以通过计算分析管段压强和锚索张力极值差反演推算悬浮隧道的合理埋置深度。目前成果表明，悬浮隧道适应在平均水深40 m以上的水域，因此，深海复杂水域修建悬浮隧道将具有独特优势。

6 结论与展望

1)国内外学者研究的重点从工程可行性论证、结构概念设计等方面逐渐深入到包括悬浮隧道的荷载组成、管段接头构造设计、静动力响应分析、环境影响分析、施工方法及可靠度设计等方面。但学者对于悬浮隧道管节结构和锚索结构的研究主要采用独立分析的方法，而锚索和悬浮隧道管节结构的动力响应特性是相互作用的，悬浮隧道管节结构与锚索结构耦合动力响应将是下一步深入研究结构动力响应的重点。

2)对于水域环境复杂并伴随各种动力响应的悬浮隧道，开展模型试验研究相较于数值模拟等其他方法更具实际和科学意义；它能够推断原型可能发生的力学现象，同时验证理论推导与数值分析模型，为后期设计建造悬浮隧道提供科学依据和方法。悬浮隧道物理模型试验由静水试验到纯流、规则波浪、随机不规则波等单一荷载试验再发展到波浪流耦合荷载试验，试验条件也朝单一化造流水池、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、动荷载与静荷载结合等多种耦合条件下多管节甚至完全结构模型试验是悬浮隧道模型试验未来的发展趋势。

3)悬浮隧道在波流、冲击、地震等荷载作用下的动力响应问题非常突出。然而，当前已有的悬浮隧道动力计算研究大多针对水流环境中的锚索、隧道管段等局部构件，计算模型的简化假定较多，理论分析方法存在较大的局限性。同时，由于对悬浮隧道在长期海洋环境下的耐久性、偶然灾害下的受力机制、灾难性事故的预防与对策和灾后可修复性认识不足，加之海洋施工环境复杂多变，目前世界上尚未形成一套成熟完整的悬浮隧道设计规范和施工质量控制标准。

4)水中悬浮隧道仍然存在着一些关键问题和挑战，我国悬浮隧道研究应在有条件的相对静态水域建设实体隧道试验工程。一方面，积累悬浮隧道工程经验；另一方面，利用实体悬浮隧道进一步开展科学研究，发现并解决问题，为复杂海况下大型悬浮隧道建设提供技术积累。