蒋博林，梁 波

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 2.重庆工程职业技术学院， 重庆 402260)

国内外拟建水中悬浮隧道设计方案研究

蒋博林1,2，梁 波1

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 2.重庆工程职业技术学院， 重庆 402260)

随着离岸工程技术的发展，以及对跨水域交通需求的增加，水中悬浮隧道以其独特的优势受到关注。为了进一步认识和了解这一创新型水下交通结构，结合近年来国内外出现的拟建悬浮隧道设计方案，对其中涉及到的断面形式、支撑系统、结构连接、结构材料、作用荷载等基本方面进行分类概述，最后提出相关建议及展望。对国内外悬浮隧道设计方案的综述，希望能为今后悬浮隧道的研究、设计提供借鉴和参考。

悬浮隧道；水下交通结构；设计方案

随着交通需求的增加以及工程结构建造技术的提升，对跨越河流、湖泊及海洋的交通构造物的研究和建造，越来越受到世界各国政府及研究学者的关注。在跨越这些水域时，可以选择的跨越备选方案如图1所示[1]。

① 悬索桥；② 悬浮隧道；③ 沉管隧道；④ 水底隧道

图1水域跨越备选方案

每一种方案都有其适用范围以及优缺点，悬浮隧道(Submerged Floating Tunnel, SFT)，又被称为阿基米德桥(Archimedes Bridge，AB)，作为一种新型的水下交通结构，与其他交通结构相比，具有一些独特的优势[2]：

(1) 同一选址情况下，相比沉管隧道和水底隧道，其轴向坡度较小，且总体长度较短。

(2) 除极端天气状况外，悬浮隧道中的交通运行受天气状况的影响较小，更智能化。

(3) 属环境友好型结构，对周围环境影响较小，不影响通航条件，而且不会破坏当地景观。

(4) 经济性更好，悬浮隧道单位长度的造价比其他传统隧道和桥梁要低，而且总的造价不会随着跨度的增加而上升，不像桥梁随着跨度增大，每单位长度的造价也会上升。

目前，国内外出现的拟建悬浮隧道主要包括中国千岛湖拟建悬浮隧道[1]、中国金塘海峡拟建悬浮隧道[3]、意大利Messina海峡拟建悬浮隧道[4]、挪威H′gsfjord 峡湾拟建悬浮隧道[5]、瑞士Lugano湖拟建悬浮隧道[6]、美国华盛顿湖拟建悬浮隧道[7]、日本Funka湾拟建悬浮隧道[8]、印尼Seribu群岛拟建悬浮隧道[9]、墨西哥Baja California拟建悬浮隧道[10]、韩国跨海拟建悬浮隧道[11]等。本文结合国内外拟建水中悬浮隧道的设计方案，对断面形式、支撑系统、结构连接、结构材料、作用荷载等基本方面进行分类概述，并提出相关建议和重点研究方向，希望能为以后的悬浮隧道研究、设计提供借鉴和参考。

1 断面形式及支撑系统

1.1 断面形式

断面形式被认为是设计悬浮隧道时考虑的最主要因素，它必须具备最优化的形状和尺寸。在断面内部，要有足够的空间可供车辆或行人通行，以及安装各种交通设备，还需考虑通风、逃生等通道所占空间；另外，断面外部也必须设计一个适宜的外形，以降低水动力对结构的影响。在已有的拟建悬浮隧道设计方案中，以下几种断面形式较为常见：

(1) 圆形断面。圆形断面是采用最多的一种形式，例如，意大利Messina海峡拟建悬浮隧道圆形断面设计方案[4]，见图2。这个圆形断面内部采用双层设计，内部设置了边墙将空间划分为不同的功能区域。中国千岛湖拟建悬浮隧道设计方案也采用圆形断面[1]，见图3。该圆形断面直径较小，主要用于行人或小型交通车辆通过，支护结构是由三层不同材料组成的复合外壳。

图2 意大利Messina海峡拟建悬浮隧道圆形断面设计图

图3中国千岛湖拟建悬浮隧道圆形断面设计图

(2) 矩形断面。矩形断面多用于沉管隧道的设计中，但悬浮隧道的设计有时也借鉴沉管隧道的经验，如日本的Oinaoshi拟建悬浮隧道设计[8],见图4。该悬浮隧道是一个连接海岸和人工岛的通道，设计采用矩形断面，可供车辆及行人通行。

图4日本Oinaoshi拟建悬浮隧道矩形断面设计图

而规则的矩形断面不但会增加结构所承受的动水压力，并有可能出现应力集中现象。为使矩形断面结构的受力更加合理，可考虑在矩形断面周边增加附属结构，如墨西哥Baja California拟建悬浮隧道的设计方案[10]，见图5。为了改善该矩形断面结构在极端环境下的受力情况，设计方案中在两侧添加了特殊的三角形侧翼。

图5墨西哥拟建悬浮隧道矩形断面设计图

(3) 椭圆形断面。椭圆形断面的水动力行为也较好，且断面利用率高。韩国设计的跨海通道就采用了椭圆形断面的悬浮隧道方案[11]，见图6。拟建悬浮隧道断面内部设计有两个供铁路交通运行的部分，中间部分为人员疏散及通风。美国华盛顿湖拟建悬浮隧道设计方案中也采用了类似的椭圆形断面[7]，见图7。

图6 韩国拟建悬浮隧道椭圆形断面设计图

图7美国华盛顿湖拟建悬浮隧道椭圆形断面设计图

(4) 多边形断面。阿基米德桥公司于1984年设计的意大利Messina海峡拟建悬浮隧道方案，采用的是多边形断面[12]，见图8。断面设计为公路和铁路隧道两用，交通断面周围的空间可以减轻自重，保持较高的剩余浮力。另外，还可以安装设备以及应对突发事件，比如水的进入。中国的金塘海峡拟建悬浮隧道设计方案中也采用多边形断面形式[3]，见图9。断面内部有两个供车辆行驶的空间，其周边设计有多个异形囊腔，其作用也是减轻自重，或逃生、救援等。

图8 意大利Messina海峡拟建悬浮隧道多边形断面设计图

图9中国金塘海峡拟建悬浮隧道多边形断面设计图

(5) 其他断面形式。除了以上提到的悬浮隧道断面设计形式，还有一些其他的断面形式，例如Alan Grant首次提出的意大利Messina海峡拟建悬浮隧道设计方案中[1](见图10)，其断面形式类似于“三明治”的形状，内部由三个圆形断面组成，外部还有一个壳。日本北部湾拟建悬浮隧道设计方案中(见图11)，也是采用内部圆形断面，外部椭圆形壳体，设计有多种用途的空间。

图10 意大利Messina海峡拟建悬浮隧道组合断面设计图

图11日本北部湾拟建悬浮隧道组合断面设计图

但是由于这种复合型断面形式的建造以及拼装相对其他几种断面形式较困难，因此多见于早期的悬浮隧道设计方案中，近期拟建的工程设计中很少采用。

1.2 支撑系统

悬浮隧道的支撑系统，总结起来共有四种类型[13]，见图12。

图12不同形式的悬浮隧道支撑系统

悬浮隧道支撑系统的选用，主要是根据选址地理位置、周边环境、交通用途等决定，也可根据设计的浮重比系数(Cbwr)进行初步判断：

(1)

其中：B为悬浮隧道管体所受浮力；W为悬浮隧道管体自身重力。

如果：Cbwr=1，选择自由式；Cbwr<1,选承压墩柱式；Cbwr>1，选择浮筒式或张力腿式。

(1) 自由式。自由式没有任何支撑系统，因此它的建造长度及承受的荷载就有所限制，采用自由式支撑系统的悬浮隧道主要用于行人或者轻型交通的通道，亦或管道、线缆的跨水通道等。

(2) 承压墩柱式。由于管体重力大于自身浮力，因此管体底部需要承压墩柱支撑，墩柱底部还需要设计基础，整个结构看起来更像是一座在水中封闭的桥梁，如瑞士Lugano湖悬浮隧道设计方案中的支撑系统就采用了承压墩柱式，见图13。

图13承压墩柱式支撑系统示意图

(3) 浮筒式。浮筒式支撑系统跟水深关系不大，但是对环境荷载非常敏感，比如风、波浪、洋流，以及可能出现的船只撞击等。在设计时一方面需考虑通航要求，另一方面就是浮筒失效问题，要保证如果一个浮筒失效了，其他浮筒能继续正常工作。

浮筒式的支撑系统多见于挪威悬浮隧道设计方案中[13](见图14)。

图14挪威浮筒式悬浮隧道设计图

(4) 张力腿式。张力腿式是悬浮隧道中最常见的支撑系统设计形式， 也最容易被公众所接受。 由于隧道管体所受浮力大于自身重力， 张力腿式支撑系统仅承受拉力， 以平衡剩余浮力。张力腿式支撑系统多采用锚索， 而锚索的布置形式则包括垂直布索、 倾斜布索、 混合布索、 附加质量块布索等方式[14](见图15)。锚索设计除了轴向的布置形式， 还需要注意锚索之间的间距、 锚索的夹角等因素， 必须保证锚索在运营期间不出现松弛， 以维持管段的稳定性。

图15墨西哥拟建悬浮隧道锚索布置形式

2 结构连接及材料

2.1 结构连接

(1) 管段之间的连接。悬浮隧道的设计跟沉管隧道相似，主体结构也是被设计成若干一定长度的管段先进行预制，然后再拼装，管段与相邻管段之间的连接方式可分为三种：柔性连接、刚性连接和半刚性连接。

悬浮隧道管段之间无论是采用哪种连接方式，首先必须保证连接的水密性，参照沉管隧道的设计，可采用GINA止水带或者OMEGA止水带；另外，还要考虑连接后管体结构整体受力、变形协调等问题。

(2) 支撑系统的连接。承压墩柱式支撑系统的连接可参照桥梁墩柱结构的连接，另外还需考虑浮力及流体腐蚀的影响。

由于流体会造成锚索的振荡，因此浮筒式、张力腿式支撑系统与管段或基础的连接要求采用柔性连接，允许锚索两端连接处在允许范围内自由转动。除此之外，连接装置还要考虑制作及安装的可操作性。

(3) 管体两端的连接。悬浮隧道管体两端与岸基的接驳，根据地形环境，可通过传统的隧道结构(如暗挖隧道、盾构隧道等)，与岸边地面交通线连接，但要注意解决悬浮隧道路线过渡的坡度问题以及接驳处变形、受力的平衡问题。

在千岛湖悬浮隧道设计方案中(见图16)，依照中国传统建筑样式，在管体两端分别设计了两个塔状的连接结构[1]。一个为车行通道，另一个为人形通道，其中车行通道内部为环绕型斜坡，墨西哥Baja California悬浮隧道设计方案中也有类似的设计[10]。

图16千岛湖悬浮隧道设计中对接结构示意图

除此之外，悬浮隧道管体两端也可选择与桥梁结构连接，或者修建人工岛实现对接，如港珠澳大桥中就有桥-岛-隧连接的工程实例；另根据需要，悬浮隧道管体还可选择与其他隧道结构连接，如水底隧道或沉管隧道。

2.2 结构材料

悬浮隧道的结构材料可分为管段和锚索两部分进行概述。

根据已有的研究资料，管段的材料可选择以下几种：钢铁、混凝土(钢筋混凝土或预应力混凝土)、铝合金、泡沫等。

(1) 钢铁。钢铁材料广泛使用于离岸工程结构，在长时间的实践应用中，其优良的性能也得到了大量实际工程的验证。

(2) 混凝土(钢筋混凝土或预应力混凝土)。混凝土材料也广泛应用于离岸工程结构，特别是在需要大体积重力保持结构稳定的时候。钢筋混凝土在悬浮隧道管段中为结构提供强度和刚度，同时提供重力以平衡浮力。预应力混凝土由于力学性能较好，且有较好的防水性能，在离岸工程中也大量使用。

(3) 铝合金。铝合金主要用于离岸结构平台的露出部分。

(4) 橡胶泡沫。这是一种多孔的橡胶，利用膨胀的聚亚安酯制成，多用于海军工程中，作用是增加舰艇的浮力。在悬浮隧道的设计中考虑使用这种材料，主要用于制造一个外壳来保护内部结构，降低腐蚀和撞击的影响[15]。

综上所述，将各种材料的优缺点进行汇总见表1。

表1 悬浮隧道管段各种材料优缺点

综合考虑材料性能、施工难易程度及经济效益等多方面因素，在拟建悬浮隧道的设计方案中，管段的材料并非只使用一种材料，而多是采用几种材料共同组合而成。这样可使各种材料的优缺点互补，在发挥其自身优点的同时，还能弥补其他材料的缺点。这种设计理念在意大利Messina海峡悬浮隧道[12]、挪威H′gsfjord峡湾悬浮隧道[5]、中国千岛湖悬浮隧道[1]等设计方案中已经得到体现。

锚索作为保证悬浮隧道结构稳定的重要部分，其材料的选择也非常关键。关于锚索的材料，总结起来，可选择刚性索、钢绞线柔性索或轻型化合物柔性索(如CFRP等)[14]等材料。悬浮隧道锚索各种材料的优缺点见表2。

表2 悬浮隧道锚索各种材料优缺点

3 作用荷载及其他方面

3.1 作用荷载

根据水中悬浮隧道所处的环境及结构特点，可以将作用在水中悬浮隧道上的荷载分为环境荷载、永久荷载、功能荷载、变形荷载和偶然荷载等五种[16]。具体的荷载分类及产生的原因如表3所示。

表3 悬浮隧道承受荷载的分类

在以上荷载的研究中，研究学者主要集中在波浪力、洋流力、地震激励以及支撑结构作用力等方面，另外，对功能荷载中的交通荷载也有所研究。悬浮隧道所处环境非常复杂，目前的研究手段主要包括理论分析、数值模拟和模型试验等方法，在以后的研究中还需要更大比例尺的模型，以及模拟更真实的水域环境进行试验。

3.2 其他方面

悬浮隧道是一个封闭的结构，且处于水环境中，因此必须考虑通风，如果悬浮隧道距离较长，还必须考虑紧急情况下的逃生救援。如韩国拟建悬浮隧道设计方案中[11](见图17)，每隔一定距离设置一个救援塔，顶部有足够的空间供直升机起降，还可作为观光平台。

图17韩国悬浮隧道救援塔设计图

另外，悬浮隧道的建造及拼装也是悬浮隧道设计内容中的重点及难点，还有针对悬浮隧道设计、施工、运营等不同阶段的风险研究，在部分设计方案中也有涉及。随着对悬浮隧道的研究进一步深入和细化，今后的设计方案会更加全面和具体。

4 结 论

本文对国内外水中悬浮隧道设计方案进行研究，概述了已有的设计方案中关于断面形式、支撑系统、结构连接、结构材料、作用荷载等基本方面的研究进展。初步提出以下建议：

(1) 水中悬浮隧道断面形式中椭圆形断面由于其流线型的外观，水动力响应较好，以及空间利用率较高，可重点考虑；支撑系统建议采用张力腿式的锚索，倾斜布索；管段之间的连接采用刚性连接，使整个隧道结构连接成为一个整体，岸基接驳采用柔性连接，锚索两端也采用柔性连接；管段材料建议采用多种材料共同组成，外部可设置一个外壳，以保护管体，锚索材料建议采用柔性化合物材料；作用荷载建议重点考虑波浪、流、地震等，以及运营阶段的交通荷载。另外，还要考虑通风、紧急救援通道等的设置。

(2) 水中悬浮隧道作为一种创新的跨水域交通结构，其涉及的研究领域非常广泛且复杂。而目前很多研究领域的内容还很不完善，今后研究的重难点方向应集中在以下方面：复杂环境荷载(如波浪、流、地震等)作用下的悬浮隧道管体、支撑系统的承载能力和稳定性；管体及其高强度支撑系统的疲劳损伤、长期耐腐蚀性；超高周期荷载作用下管段接头、岸基接驳构造及其抗剪、抗扭和防水性能；悬浮隧道被动防撞设施构造和材料性能；悬浮隧道各类荷载的计算方法研究及动力响应规律研究；以及复杂洋流和地震等灾害环境下的防灾与救援技术，此外还包括社会大众对水中悬浮隧道的心理承受能力和认可度等方面。

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DesignSchemesofDomesticandOverseasSubmergedFloatingTunnels

JIANG Bolin1,2, LIANG Bo1

(1.CollegeofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.ChongqingVocationalInstituteofEngineering,Chongqing402260,China)

With the development of offshore engineering technology, as well as the increased demand for waterway crossing transportation, submerged floating tunnel (SFT) which has distinctive advantages compare to other waterway crossing solutions attracts more and more attentions. In order to better understand this innovative underwater transportation structure, this paper analyzed the design schemes of domestic and overseas SFT in recent years by considering fundamental aspects such as cross-section, support system, structural connection, structural material, imposed load etc. Several suggestions were proposed which can provide references for future researches and designs of SFT.

submergedfloatingtunnel;underwatertransportationstructure;designscheme

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.014

2017-06-20

2017-07-17

交通运输部建设科技项目(2013318740050)

U459.9

A

1672—1144(2017)06—0069—07