悬浮隧道水动力问题研究概述

2020-04-21耿宝磊宇2胡传琪金瑞佳

水道港口 2020年1期

耿宝磊，刘宇2,，胡传琪，金瑞佳,3*

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456; 2.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024; 3.中国海洋大学工程学院，青岛 266100)

悬浮隧道( Submerged Floating Tunnel，简称SFT)是一种悬浮在水面下方30 m左右的通道，用于跨越海峡、海湾、湖泊或其他水道的新型交通结构物，由于其结构的稳定原理基于阿基米德的浮力原理，所以又被称为阿基米德桥。在传统的桥梁、沉管隧道等跨越方式受环境条件及工程技术等因素限制的条件下，悬浮隧道为水道的跨越提供了新的方案，并以相对较低的成本、节约环保等特性在未来的交通运输发展中极具竞争力。

悬浮隧道的概念在国外最早可追溯至19世纪中叶，1923年悬浮隧道在瑞典首次获得专利[1]，但其实质性研究开始于20世纪60年代左右。近年来随着隧道技术和海洋工程技术的飞速进步，意大利、挪威、美国、日本等国家陆续在计算理论与模型试验方面进行了大量的研究，其中意大利、挪威研究起步较早，日本的研究始于20世纪90年代。此外，瑞士、巴西、澳大利亚、韩国、伊朗、印度尼西亚等也有部分研究成果。

我国对于悬浮隧道的研究起步晚于欧洲、美国和日本等国家，但起点较高，发展步伐较快，尤其是进入21世纪以来，已有多项悬浮隧道研究课题获得了国家自然科学基金等不同类型的资助研究。此外，2010、2016和2018年，国内相关机构分别在千岛湖、重庆和杭州组织召开了三次国际学术研讨会，2018年中国科协第20届年会上将悬浮隧道工程技术列为12个领域的60个重大科学问题和工程技术难题之一。

本文主要围绕悬浮隧道的水动力问题，从断面形式、连接方式、水动力荷载及响应等方面系统梳理了前人的研究成果，并探讨了悬浮隧道的研究方向。

1 断面形式及管体连接方式

1.1 断面形式

断面形式被认为是悬浮隧道中需首先考虑的问题之一。断面外部需设计一个合适的外形，必须具备最优的形状和尺寸，以降低水动力等因素对结构的影响从而满足行人或乘客在隧道中的舒适度；断面内部在拥有足够的空间供车辆或行人通行的同时，需预留逃生通道所占空间，还应包括用于铺设电缆等管线和安装排风净化设备及安装各种交通设备的空间。在已有的拟建悬浮隧道设计方案中，圆形(见图1～图3)、椭圆形(见图4～图5)、矩形(见图6)以及多边形(见图7)等几种断面形式如下:

(1)圆形断面

图1 圆形悬浮隧道断面(意大利Messina海峡)[2]Fig.1ThecircularsubmergedflotingtunnelsectionstudiedfortheItalianMessinastrait[2]图2 圆形悬浮隧道断面(中国千岛湖)[3]Fig.2ThecircularsubmergedflotingtunnelsectionstudiedforChina′sqiandaolake[3]图3 圆形悬浮隧道断面(挪威峡湾)Fig.3ThecircularsubmergedflotingtunnelsectionstudiedforNorway′sfjord

(2)椭圆形断面

图4 椭圆形悬浮隧道断面图(韩国)[4]Fig.4Thecross-sectionoftheellipticalsubmergedflotingtunnelintheKoreanstudy[4]图5 悬浮隧道断面图(美国华盛顿湖)[5]Fig.5ThesectionofthesubmergedflotingtunnelinthelakeWashington,USA[5]

(3)矩形断面与多边形断面

图6 矩形悬浮隧道断面图(日本Oinaoshi湾)[5]Fig.6Thecross-sectionofrectangularsubmergedfloatingtunnelstudiedinOinaoshibay,Japan[5]图7 多边形悬浮隧道断面图(中国金塘海峡)[6]Fig.7Thepolygonalcross-sectionofsubmergedfloatingtunnelstudiedinjintangstrait,China[6]

上述提到的悬浮隧道断面设计形式各有优劣。罗刚等[7]建立数值模型对比矩形、耳形和椭圆断面形状的水动力参数，耳形断面具有最优特性，矩形的空间利用率最好但其升阻力系数最大，椭圆表面压强分布较为均匀有利于结构稳定。Mandara等[8]考虑具有相同运输布局和容量的圆形和椭圆形截面，从水动力的角度研究表明：椭圆截面的运输能力稍好，其水平位移更低，流线型的椭圆截面存在更多有利的水动力特性。

此外还有一些其他的断面形式，复合型断面形式的建造工艺以及拼装技术与其他几种断面相比难度更大，多存在于早期的设计方案中，在近年来研究的悬浮隧道断面及拟建的工程设计中几乎不考虑。目前对于圆形和椭圆形、多边形断面的研究较为广泛，其中圆形断面是采用最多的一种形式，各方面压强分布均匀总体稳定性最优但空间利用率不高。椭圆形垂向稳定性低于水平稳定性但其整体结构相对稳定，其以水动力行为较好且空间利用率较高的优势而被广泛关注。在综合几种断面形式的优势，设计出一种新的混合型断面也极有可能。

1.2 系泊形式

悬浮隧道作为一种被广泛研究的新型海中交通方式，其结构的稳定可根据不同的系泊形式实现。悬浮隧道的系泊形式与海域条件、地理位置、跨越峡湾等条件有密切联系，一般可分为四种类型：自由式、承压墩柱式、浮筒式和张力腿式[9]。悬浮隧道的设计理念归于阿基米德原理，即通过平衡浮力与重力使结构达到稳定。浮力与重力的比值称为浮重比(BWR), 自由式没有支撑连接系统，其浮重比等于1，浮筒式和承压墩柱式的浮重比小于1，张力腿式的浮重比大于1。支撑悬浮系统的连接还要考虑实际建造及安装技术的可行性。

(1)自由式。

自由式的悬浮隧道没有与结构体连接的支撑系统，其浮力等于重力，仅靠管段主体与两岸的连接进行约束，此种系泊形式会面临极多的条件限制，在波流荷载作用下其运动响应显著，内部通行的行人与乘客容易感到不适，自由式的设计相对来说不切合实际，通常情况下不考虑自由式悬浮隧道。

(2)承压墩柱式。

承压墩柱式的悬浮隧道其结构类似于桥梁墩柱，相当于建设在海底的一座桥，只不过桥梁由隧道管段代替。承压墩柱式的自身重力大于浮力，通过自身重力使隧道结构在海中达到稳定。管体底部有承压墩作为支撑，承压墩底部建设好地基与海底相连。承压墩柱式悬浮隧道形式相对简单，受到的荷载作用明确，可以根据已经通行的跨海大桥等海上工程的建设经验设计悬浮隧道方案[10]。

(3)浮筒式。

浮筒式悬浮隧道管段的重力大于所受浮力，其通过漂浮在海面的浮筒增加浮力来平衡管体结构使之稳定。浮筒式结构在垂直方向受到约束但是在水平方向可以自由移动，在海中容易受到水流、波浪的影响发生位移变化。在挪威Hcgsfjorden海峡修建悬浮隧道提案的最初想法就是采用浮筒式，并给出了四种不同的设计方案[11]。

(4)张力腿式。

张力腿式悬浮隧道是通过锚索或张力腿连接管体与海底实现自身稳定。张力腿式所受浮力大于自身重力，必须通过锚索或张力腿来平衡多余的浮力来稳定管体的位置，锚索与管体的连接必须满足允许范围内的自由转动来减小波流的振荡影响。悬浮隧道形式中，张力腿式被更加广泛的研究。麦继婷等[12]计算分析波流作用下张力腿随时间的受力变化，流速大小对绕轴线方向的弯曲应力有影响，不同波浪作用下张力腿轴向应力变化显著。秦银刚和周晓军[13]探究不同张力腿倾角、轴向刚度以及初始刚度对悬浮隧道动力响应的影响。董满生和张嫄[14]设计一种新型的“V”型锚固结构形式，与传统锚固形式相比增加了悬浮隧道在水下的稳定性与安全性。麦继婷等[15]对比锚链与张力腿支撑结构，分析得到锚链约束的悬浮隧道在波流荷载作用下运动响应更小。

1.3 其他连接系统

悬浮隧道的连接系统包括系泊系统、管段结构之间的连接系统以及主体结构与两岸之间的连接系统。

悬浮隧道是跨湖跨海的大尺度结构，设计一个完整的主体并不现实，必须经过拼接事先预制好的短管段实现，因此管段连接的不透水性必须保证。拼接的管段间会在波浪荷载、移动荷载等荷载作用下发生变形，连接处必须满足可能受到的极限荷载且不发生过大的变形。连接形式按接头刚度和管段刚度的差异可分为刚性和柔性[16]，对于柔性连接可采用 GINA 止水带和OMEGA 止水带连接，刚性连接可采用 GINA 止水带和连接钢板连接。

悬浮隧道管体两端与岸基的接驳可根据地形环境通过传统的隧道结构与岸边地面交通线连接，但要注意解决悬浮隧道过渡段的边坡问题以及接驳处变形、受力的平衡等问题。此外，悬浮隧道管体两端也可选择与桥梁结构或其他隧道结构连接，例如修建人工岛实现与桥梁、沉管隧道等结构的连接。晁春峰[17]运用大质量法建立三维的土弹簧约束的悬浮隧道的数值模型，研究了土体性质对边岸连接周围的边界条件的影响。肖剑和黄国君[18]采用铅芯橡胶支座这种岸桥连接方式对地震响应进行研究，发现可以有效减震并降低结构位移。

2 水动力问题研究

2.1 水动力荷载

悬浮隧道所承受的荷载类型可被分为：环境载荷、永久载荷、功能载荷、变形载荷、意外载荷等，现阶段研究热点主要集中在环境荷载上。悬浮隧道作为一种新的海洋结构物，直接处于波浪与水流共同作用的环境之下，波流荷载会对悬浮隧道工程的造价、安全度及使用寿命造成重要的影响。董满生等[19]针对波流荷载作用下流固耦合理论建立分析模型并进行阻力系数、惯性力系数的实验研究，进行波浪作用下锚固系统的涡激振动数值分析。

在波流荷载的计算中应用较多的有Morison方程和绕射理论两种，但是两种假定都有其自身适用范围。其中Morison方程是在1950年由Morison 等人提出的，考虑了水的粘性与惯性对波浪力的影响，但没有考虑波浪绕射的影响；绕射理论由MacCamy和Fuchs在1954年提出，假定流体无粘、不可压缩、运动是有势的，并利用了线性化的自由水面条件。

(1)波浪荷载。

金瑞佳等[20]基于势流理论，采用高阶边界元方法建立数学模型，分析了悬浮隧道在波浪作用下，圆形、椭圆形和双圆截面结构所受波浪激振力、附加质量和辐射阻尼，研究了结构物不同淹没深度、不同截面形状以及结构不同特征参数对其水动力特性的影响。麦继婷[21]研究水平波浪力作用下悬浮隧道的管体特性，根据实际工程悬浮隧道的直径并结合波长的合理长度，采用势流理论下的波浪绕射理论计算了作用在悬浮隧道上的波浪荷载。干湧[22]通过金塘海峡的三个实际基本参数(波高、波长以及物体在波浪方向上的投影尺寸)之间的关系确定波浪力的计算方法，波浪力由Morison方程计算得到，并结合其他荷载对金塘海峡水下悬浮隧道进行了空间静力整体分析。王广地等[23]以圆形断面为例，分析了过渡区与深水区悬浮隧道结构波浪力的变化特征，其采用Morison方程计算波流荷载，对波流荷载分布特征的进行研究，在过渡区中，波浪力随水深增加而变小，变化速度不断减少，在深水区海水深度不会对波浪力造成影响，可以据此对悬浮放置深度进行调整。葛斐等[24]对悬浮隧道做出了相应简化，考虑锚索横向和轴向两个方向的振动耦合作用后采用Hamilton原理, 建立了悬浮隧道的动力响应模型, 探讨了波浪力作用下锚索的变形及悬浮隧道管段的不同自由度之间的关系，研究在规则波作用下悬浮隧道的动力响应特性。

麦继婷等[25]通过对悬浮隧道跨中单元的位移响应幅值及所受平均应力的结果进行了分析：随着放置深度增加，悬浮隧道的动力响应明显减少；波浪倾斜入射时悬浮隧道位移响应亦明显减少；圆形隧道位移响应幅度远小于椭圆断面的相应值。陆维等[26]通过对不同浮重比水下悬浮隧道动力特性的试验研究表明，在波浪作用下，悬浮隧道管段模型在水平方向和竖直方向的最大位移均受浮重比影响。曹勇军[27]利用Airy线性波浪理论计算波浪作用下流体的速度势，运用有限元计算软件建立了悬浮隧道动力响应计算模型，计算分析了入射波高和浮重比对悬浮隧道横荡位移和垂荡位移的影响：随着入射波波幅的增加,悬浮隧道的横荡位移呈线性增加,而垂荡位移仅略有增加，悬浮隧道浮重比对横荡位移影响很小,但对垂荡位移影响较大。

(2)洋流荷载。

田雪飞[28]基于分层理论模型和势流理论建立了层化海洋内波流场并叠加洋流流场形成联合流场，为波流荷载的计算提供了基础，采用了Morison公式和Galerkin 法对联合荷载下的流体作用力进行了分析和计算，为建模提供了理论指导。巫志文等[29]研究了悬浮隧道锚索结构在随机波浪力的作用下的动力响应，利用虚拟激励法和Galerkin法建立一种新的计算锚索动力运动的数学方法，为实际情况下的锚索设计提供更加真实的模拟计算。李勤熙和蒋树屏[30]设计物体模型试验以研究悬浮隧道在不规则波作用下不同波高和周期对隧道管段的压强和锚索张力的变化。罗刚等[31]利用fluent软件研究分析不同断面悬浮隧道在流荷载作用下不同流速、入射角等对管段压力分布和升阻力的影响，秦银刚，周晓军[32]研究悬浮隧道在均匀流作用下横向受力情况，比较分析流荷载强度、漩涡释放频率和管段尺寸等影响因素对悬浮隧道稳定性的影响。

Tian[33]等建立隧道流体相互作用的非线性振动数学物体模型并研究了内波与洋流联合作用下SFT的位移响应。惠磊等[34]研究悬浮隧道在均匀流作用下的动力响应，建立计算模型并得到隧道横向振动的微分方程，利用伽辽金方法和四阶龙格库塔方法对方程进行求解，排除了系统的阻尼对结构的振动周期的影响；研究表明结构的振幅可随均匀流的速度以及隧道长度的增大而增大，振动曲线衰减到一个稳定值所需要的时间随均匀来流速度增大而越少，随隧道长度增大而减小。胡鸿运[35]在没有考虑悬浮隧道体系与洋流耦合效应的情况下，建立力学模型和数学模型，对定常流作用下的圆柱形拉索式悬浮隧道单节管段进行力学响应分析。秦银刚[36]针对悬浮隧道的动力响应进行研究，最大振动位移随流速的增大而线性增大，在相同流场环境条件下,增加支撑张力腿数量能减小管段结构的受力和动力响应幅度,但是会使张力腿的响应规律更加复杂；两节管段的动力响应规律与单节管段相似,单节段的速度响应幅度大于两节段的速度响应幅度。闫宏生等[37]通过求解涡激振动方程，研究不同流速下参数激励对缆索横向振动的影响，并且分析缆索和隧道耦合时缆索的运动响应。

2.2 锚索结构的涡激振动

悬浮隧道锚索处于水面30 m以下, 它的涡激振动主要是由于波浪以及水流对于锚索的两侧交替产生的旋涡作用引起的。在海洋环境中，悬浮隧道的锚固系统极有可能发生涡激振动。锚索与海洋工程领域中的柔性海洋结构物相似，涡激振动是此类结构物疲劳损坏的根源，锚索系统的涡激振动分析是悬浮隧道结构分析的重要组成部分。

麦继婷等[38]研究了悬浮隧道锚索在水流作用下的横向涡激振动，并考虑了张力的变化对锚索横向涡激振动的影响；葛菲等[39-40]考虑隧道振动对张力腿的激励进一步研究张力腿的涡激振动, 建立了悬浮隧道锚索在波流场中顺流向涡激振动的数学模型，发现考虑隧道对张力腿的激励影响时, 锚索顺流向涡激振动的振幅明显大于不考虑外激励影响时的涡激振动振幅；当强迫激励和参数激励同时存在时，涡激振动的振幅由于两种激励的相互作用而明显增大。在上述张力腿涡激振动研究中，张力腿垂直于水平面。但在实际工程中，张力腿不垂直于水平面，所以有必要考虑波流作用下倾斜张力腿的涡激振动，而且进一步研究张力腿横向涡激振动对结构动力响应的影响。陈健云等[41]在考虑锚索垂度的基础上,讨论了锚索倾角等结构参数对锚索横流向涡激振动的影响，建立了悬浮隧道锚索-隧道体耦合非线性振动数学模型，根据斜拉索振动微分方程，分析了影响悬索隧道锚索涡激振动的因素。晁春峰[42]根据千岛湖悬索隧道设计方案，采用分离耦合法分析了均匀流作用下悬索隧道锚索的涡激振动特性，考虑到涡激振动是锚索等结构疲劳损伤的根本原因。

涡激振动会给悬浮隧道结构的安全性、可靠性、持久性带来影响，部分学者针对悬浮隧道(锚索)结构在抑制涡激振动方面开展了相关研究。一方面是通过调节结构的动力这一消极应对策略来减弱涡激振动的影响。Dong等[43]提出在一个稳定的分层海洋中建立起组合流场，通过控制由组合载荷引起的SFT的自由振动来达到振动控制的目的，得出可以利用结构本身的特点来达到减振的目的这一观点，同时印证了振动控制可以在不需要任何附加设备的情况下完成。另一方面是通过控制和改变漩涡的形成和发展过程这一积极应对策略来降低涡激力。晁春峰等[44]采用改变柱体截面形状或添加附属扰流装置的方法来达到抑制悬浮隧道锚索涡激振动的目的；三螺旋线相比整流罩和控制杆这两种方案对于不同来流角度具有更好的抑振效果，整流罩的抑制效果随来流角度的增大逐渐增强。Ding等[45]提出锚索稳定性的未来主要方向，可以集中在研究锚索长度、厚度、倾角、间距等特性参数，以适用于锚索本身的减振器的半主动或主动减振控制方法的方向上。Lin等[46]提出了一种采用碳纤维增强聚合物(CFRP)的水下悬浮浮隧道方案，建立了CFRP索-钢管系统的耦合振动模型，既验证了CFRP的优势也为锚索材料选用方面提供新的思路。