悬浮隧道的力学响应探讨

悬浮隧道的力学响应探讨
面对宽广的海域，往往我们可以利用的交通手段极为有限，现在，科研专家提出了一种新型的交通通道，那就是水中悬浮隧道。

在水中，隧道的受力情况不同于传统的地下隧道，它受到多种海洋荷载的作用。

如何处理这些荷载以及悬浮隧道的动力响应是我们不能忽视的问题。

标签：悬浮隧道；动力响应；锚固方式；张力腿
1、前言
当面对江河等比较窄的水域时，人们往往利用桥梁或隧道而快速通行，但是，一旦面对褚如湖泊、峡湾甚至海洋等宽阔水面，人们通常采用船舶或者跨海大桥通行。

继开辟陆地和空中的快速通道后，如何快速跨越广袤的水域是人类要实现的下一个梦想，而悬浮隧道最终将使得人类实现这一梦想。

悬浮隧道，确切地说，是一种跨越海峡、湖泊以及其它水域的交通结构物，它一般由浸没在水中一定深度的管状结构、防止过大位移的锚固系统以及近岸连接的构筑物组成。

从结构载荷以及结构形式的角度来看，悬浮隧道更像是一种全封闭的水下桥梁，而与普通意义上的隧道有很大差别；但从使用角度来看，这种结构具有隧道的所有特点，因而被认为是“隧道”而不是“桥梁”。

2、悬浮隧道简介
水中悬浮隧道，英文名称“Submerged Floating Tunnel”，简称“SFT”。

在意大利又称“阿基米德桥（Archimedesbridge）”，简称“PDA”桥，是一种新型的穿越水域交通结构物。

水中悬浮隧道从原理上讲非常简单，主要是利用水的浮力、自身重力和锚固体系共同作用。

由于管段的中间是空的，整个管段的体积很大，获得的浮力也就很大，管段因此浮在水中，而本身还受到锚固体系的作用，形成一条稳定横贯在水中的隧道，其方法和我们在地下埋管道类似，土壤好比湖泊或者海峡里的水，地下管道就像悬浮在水中的隧道。

不同的是，地下管道借助的是土壤的支撑，而水中悬浮隧道借助的是水的浮力。

但是，水中悬浮隧道面临的问题要比地下管道复杂得多，因为管段在水中远没有在土壤中那么稳定，作用在隧道上的力不单单只有浮力，并不容易控制。

根据锚固方式的不同可将悬浮隧道分为以下三类：张力腿式悬浮隧道、浮筒式悬浮隧道以及固定支撑式悬浮隧道。

张力腿式悬浮隧道采用的原理是在設计过程中通过调整管体断面，使得结构的整体比重小于水的比重，在浮力与重力的共同作用下使隧道整体保持一个上浮的状态，悬浮隧道管体则通过锚索与海床的基础连接而实现固定目的。

浮筒式悬浮隧道的设计原理是利用调整管体断面，使得结构的比重大于水，在重力与浮力的共同作用下，使得悬浮隧道整体保持下沉的状态，悬浮隧道管体之间的固定则采用锚杆与水面浮筒的连接来实现。

固定支承式悬浮隧道的设计原理是调整管体断面，保证结构整体比重大于水，在重力和浮力的共同作用下，让悬浮隧道整个处在下沉状态，悬浮隧道管体则通过立柱支撑
在设计标高处。

3、悬浮隧道力学响应机制
由于悬浮隧道直接处于波流作用的环境中，因此海流、波浪荷载是悬浮隧道所受最主要的环境荷载。

流体荷载常常是设计海洋结构物的控制荷载，它对工程的造价、安全度及工作寿命起着举足轻重的作用。

悬浮隧道在修建和使用过程中所处的环境条件都非常复杂，由于海浪方向多变性及漩涡交替释放而产生的涡激作用力，悬浮隧道总会受到随时间变化的动荷载作用，动力性态是它的一个显著特征。

由于悬浮隧道结构细长比大，其固有频率范围比较广，当作用荷载的频率与结构的某一阶频率相接近时便会引起结构的显著振动，在其内部产生很大的内动力，以致结构破坏或产生不允许的变形。

因此悬浮隧道动力问题的研究就成为了分析重点。

4、张力腿研究
水中悬浮隧道通过重力、浮力以及支撑系统之间的平衡悬浮在水下一定深度，且利用支撑系统维持悬浮隧道的稳定性。

当悬浮隧道所受浮力大于重力时，则可采用锚索（张力腿）将其与水下的基础连接起来，并平衡悬浮隧道的剩余浮力。

作为悬浮隧道的支撑结构，锚索（张力腿）处于波浪和流的环境中，其自身的稳定直接影响到悬浮隧道的稳定性。

因此，研究锚索（张力腿）在波浪和流作用下的动力响应问题尤为重要。

由管段和支撑系统组成的水中悬浮隧道为那些受环境限制的水域提供了穿越的可能性。

以其在相比于传统的跨越水域的固定方式具有能有效地减小对环境景观的影响、良好抵御自然灾害的能力、跨度增加而工程造价不显著增加等优点而日益受到人们的重视。

在既有的研究文献中，对悬浮隧道张力腿的涡激振动问题研究得较多也较为深入，而对悬浮隧道本身的涡激振动问题研究得较少；在仅有的关于悬浮隧道管段本身的涡激振动研究中，无论是单跨悬浮隧道还是多跨悬浮隧道都简化成单跨的简支梁来研究；在研究悬浮隧道自身的振动中考虑锚索的影响则更少。

在洋流涡激作用下，悬浮隧道会发生横流向振动，采用张力腿固定的悬浮隧道的张力腿在管体振动下会沿轴向发生变形，由于考虑到悬浮隧道修建的昂贵性和破坏后的灾难性，悬浮隧道管体和张力腿的振动变形都是在材料弹性变形范围内进行。

总结：
通过上述对水中悬浮隧道的力学响应的基本探讨，总结出以下几点观点：
1）现有文献主要针对悬浮隧道的管段形状、链接方式、锚固方式进行探讨，很多模拟的模型都采用简化的方式，在一定程度上造成对真实环境模拟的不足；
2）在管段、锚固件与流体之间的流固耦合作用并不能完整的模拟出固体-流体之间相互作用的情况，现有的计算方式都存在着一定的弊端；
3）针对悬浮隧道的一些建造、营运、维护方式还需进一步完善文献，悬浮隧道不同于往常现有的交通形式，要做到未雨绸缪才能更好地建造悬浮隧道。

参考文献：
[1]宋克志，邓建俊，王梦恕.烟大渤海海峡隧道的可行性研究初探[J].地下空间与工程学报，2008，01：121-129.
[2]康宁.对美国几个城市地铁和水下隧道的观感.现代隧道技术，2001，38（4）：9-13.
[3]董国贤.论水下隧道抗灾的生命力与优越性.地下空间，2001，21（2）：117-120.
[4]宋建，陈百玲，范鹤.水下隧道穿越江河海湾的综合优势.隧道建设，2006，26（3）：9-10，16.
[5]李剑.水中悬浮隧道概念设计及其关键技术研究：（博士学位论文）.上海：同济大学，2003.
麦继婷，关宝树.琼州海峡悬浮隧道的可行性研究.铁道工程学报，2003，（4）：93-96.
[6]麦继婷.波流作用下悬浮隧道的响应研究：（博士学位论文）.成都：西南交通大学，2005.
孔鹏，1989，10，29，男汉，籍贯：山东济宁，重庆交通大学，研究方向：工程结构动力学方向。