前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的悬浮隧道研究现状及关键工程技术问题，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:悬浮隧道兼具桥与隧道的共同优点，对环境依赖性小，在跨水域与深水区域的交通应用中具有独特的优势和广阔的前景。本文首先介绍了悬浮隧道的设计方案发展情况，重点总结了不同结构形式的悬浮隧道在各类环境荷载作用下的力学响应特点，并指出了悬浮隧道在将来的实际工程应用中需要解决的几个关键技术问题。
关键词:悬浮隧道;结构设计;力学响应;研究现状;关键技术
0前言
悬浮隧道(SFT)又称阿基米德桥，是一种跨越水域的新交通形式，其特征是既不埋在河床下，又不搁在河床上，由管体、水下基础、支撑系统、接头以及驳岸结构所组成，通过自身重力、浮力以及锚固力来悬浮在水中，外形似倒悬索桥，却具有隧道的特点。在深海等特殊水域地区，相比传统跨海结构具有受海底地质影响小、抵御自然灾害和战争破坏的能力更强，而且具有相当高的性价比。因此，悬浮隧道已成为跨海域交通方式的一个研究热点。目前，关于悬浮隧道的研究主要围绕结构设计以及结构在不同外载荷作用下的力学响应特性展开，国内外学者均开展了大量的研究工作，取得了显著的研究成果。
1悬浮隧道设计方案
较为完整的悬浮隧道基本设计思想是由英国工程师Mr．Grant在1966年提出的。1984年，意大利阿基米德桥公司成立，于1989年对墨西拿海峡提出了ATI－SSST模型(钢－混凝土－钢三明治管节)，后又于1996年前后提出了Con-sortiumENI模型(钢－混凝土－钢圆形结构断面)和Sirpro-getti(外钢管+内壳的结构)模型。按照支撑体系分类，悬浮隧道主要有四种形式:浮筒式、张力腿式、桥墩式以及自由式。张力腿式(浮力大于重力)有结构新颖、受力明确、线路短、跨度大、经济指标高等优点，但是在洋流荷载作用下会发生类似于斜拉桥拉索振颤现象，综合来看是目前的最佳支撑体系方案;浮筒式(重力大于浮力)的优点是支撑系统不受海底地质情况影响，缺点是由于洋流荷载的影响，对隧道管段连接处的力学特性要求太高;桥墩式是最传统的支撑结构，优点是洋流荷载对隧道的影响很小，隧道结构最为稳定，但是施工较为复杂、造价高;最理想的是自由式悬浮隧道，隧道直接与陆地相连接，在水中既不需要锚定，也不需要基座，没有任何的水中支撑结构，但难度太大。基于以上的研究成果，F．M．Mazzolani、ShunjiKanie以及RolfMagneLarssen等分别针对我国千岛湖、日本多处海湾峡和挪威Hosfjord峡湾的悬浮隧道方案进行了相应的探究。F．M．Mazzolani［1－2］针对全尺寸悬浮隧道模型———千岛湖悬浮隧道设计时认为需要对各种问题进行详细的考虑，其中主要包括建设位置的选取、结构方案和不同设计阶段的设计要求、设计工作和设计成果ShunjiKanie［3］以日本20年来的研究成果为基础，针对日本拟建跨海通道的多处海峡(峡湾)采用水中悬浮隧道方案的可行性展开了详细的说明。RolfMagneLarssen［4］针对挪威峡湾水深面宽的特点，重点研究了挪威Hosfjord峡湾的四种支撑体系设计方案。得出结论:在峡湾水深较大时，为获得足够的刚度，悬浮隧道选择浮筒式作为推荐方案;在中度水深时，为了增加结构的水平及竖向刚度，采用锚固于海底的斜拉张力腿来实现。
2悬浮隧道在环境荷载下的力学响应
悬浮隧道悬浮于水中，海面波浪、洋流、海底地震以及其他偶然环境因素(例如沉船、潜艇、内外部爆炸冲击)等必然对隧道本身产生严重影响。国内外专家针对不同结构形式(张力腿式)的悬浮隧道在环境荷载作用下的力学响应特性进行了大量的研究，取得了一定的研究成果。FedericoPerotti［5］在悬浮隧道和悬索桥均为柔性结构体系为基础上回顾动力特性的研究成果，总结了悬浮隧道在低频动力响应、冲击荷载施加及内外部的爆炸荷载作用时的一般性原则，讨论了波浪和洋流作用下结构的动力响应以及隧道结构在高雷诺数流体中流固耦合作用和锚固单元由于涡激响应引发大幅度摆动而发生危险的时间。洪友士等［6－8］采用多种方法研究了水动力荷载和偶然荷载作用下悬浮隧道的动力响应。其研究成果涵盖了悬浮隧道在大纵横比情况下的不同张力腿锚索倾斜角度产生的涡激效应及其对张力腿疲劳的影响;浮重比(BWR)对张力腿锚索以及管体结构的动力影响;轮廓尺寸、锚索系统刚度等与结构动力响应的关系，在此基础上开展相应的室内模型试验得出不同浮重比和张力腿锚索倾角与悬浮隧道在水平振幅和竖向振幅间的变化规律。葛斐等［7－10］建立水中悬浮隧道的锚索在波流场中顺流向涡激振动的数学模型，考虑波浪作用、锚索几何非线性，得出了运动引起的强迫激励和参数激励对锚索顺流向涡激振动的影响;HiroshiKunisu［11］采用波浪衍射理论，以边界元法研究了悬浮隧道断面尺寸及形状变化时结构所受的波浪效应，以莫里森方程分析阻力效应并与试验数据进行比较;李勇［12］基于雷诺数和纳维尔－斯托克斯方程研究了波浪和洋流共同作用下圆形悬浮隧道的竖向速度分布，计算由此产生的拖曳力与试验进行对比，并采用最小二乘法推导了风浪及风致洋流诱发的拖曳系数和惯性系数。陆伟［13］基于能量方法建立新的SFT锚索模型来模拟支撑系统的松弛行为，考虑波浪载荷作用，提出SFT锚索松弛－张紧区域图，直观定性给出了波浪条件下SFT可能发生松弛的参数区。孙胜男等［14－16］采用伽辽金法和龙格－库塔法等不同的数值计算方法，研究了悬浮隧道锚索高阶涡激非线性振动、悬浮隧道锚索－隧道体耦合非线性参数振动、悬浮隧道锚索非线性涡激振动等问题，建立了不同问题下的数学方程并求解。王变革［17］根据锚索所处的环境和受力特点，选择了斜拉桥拉索和海洋平台张力腿两个已经比较成熟的模型作为参考，建立了简单的水下悬浮隧道锚索计算模型;计算分析了其在不同条件下的位移模态响应依据锚索的动剪力和动弯矩响应。麦继婷［18］采用梁元的CR描述法，在考虑波流与结构相互作用的条件下，分析了波浪入射角、表面流速、隧道断面形式和支撑形式对悬浮隧道动态响应的影响;董满生［19］用哈密顿混合能变分原理处理了曲线形水中悬浮隧道的两端边界条件以及径向布设的张力腿弹性支撑等问题。周晓军［20－24］研究成果包括:定常流作用下的圆柱形拉索式悬浮隧道单节管段的动力响应研究、波浪和水流对水中悬浮隧道的联合作用、多跨水中悬浮隧道管段接头的力学特性等。他们认为多跨悬浮隧道支撑系统设置是否合理直接关系到隧道的稳定性和修建成本，还发现悬浮隧道振动高阶失稳的极限跨度比低阶失稳的极限跨度大。
3悬浮隧道安全评价
目前，针对悬浮隧道结构安全评价、悬浮隧道紧急情况下的逃生救援等方面的研究刚起步，研究成果较少。首先，在环境因素使材料性能变化从而导致结构安全性问题方面，洪友士等［6－8］对荷载作用下钢材在空气、海水中的相关特性做了相应研究，得出了隧道材料的高频和超高频疲劳特性。ZhengqiangLei［25］考虑超高频条件下锚索金属材料的微观敏感度模拟分析，预测张力腿锚索疲劳。ManshengDong［26］在考虑海洋荷载、地震以及偶然因素必然对隧道本身产生极为严重的影响的前提下，研究了悬浮隧道在进水等紧急情况下逃生设施的设置问题。
4悬浮隧道发展中亟需解决的问题
悬浮隧道作为综合性的新兴技术，必然要经历相关的研究瓶颈，由于其结构受力特征与桥梁以及海底隧道都不相同，所涉及的主要工程技术关键问题如下。1)超大跨度大长径比结构的动力响应特性。其管体和锚索属于大长径比结构，与小长径比的柱体不同，要研究波流与隧道结构之间的耦合作用，来揭示隧道管体与锚索在波流作用下的稳定性。2)高平均应力和周期荷载下锚索的力学行为和腐蚀疲劳行为。自重所产生的高平均应力以及外力所致的周期载荷，连接部件之间的应力集中;海水与荷载的共同作用导致的锚索腐蚀疲劳。3)水中耐久性多层复合筒型结构的设计及其水下分段安装与密封工艺。主要包括:管体结构参数设计;复合筒型结构的强度分析;筒型结构的管段之间的连接、密封和分段安装技术。4)环境载荷下大长径比结构的动力响应分析。波浪洋流，极端海况以及地震、偶然冲击载荷下的悬浮结构动力响应分析技术和相关控制措施。5)复杂地质条件下悬浮隧道锚固连接和陆域连接技术。复杂海底地质条件下的悬浮隧道锚固技术;抗拔桩的极限承载设计和水下施工安装技术;陆域连接结构设计技术。6)悬浮隧道结构安全和使用安全技术。由于跨越重要的水域通道，既要保证其在受外力撞击下的结构安全，也要考虑隧道在发生管体破坏时人员的安全逃生。
5结语
目前，悬浮隧道还仍然处于概念设计阶段，相信在相关研究人员的不断努力下，终有一日能攻克技术难关，让悬浮隧道这种崭新的交通形式展现于世人面前，为社会创造巨大的效益。
作者:冯治霖 单位:重庆交通大学土木工程学院