悬浮隧道关键技术研究现状及展望

高慧兴 刘海斌

（吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

近年来，国内的水下隧道工程日益增多，但这些隧道中大多数都是采用了传统的水下隧道修建方法，如盾构法、沉管法、钻爆法。而台湾海峡、琼州海峡和渤海海峡三处海峡的海域环境复杂，气候多样，在这种海峡修建海底隧道是对我国隧道技术的重大挑战。在这样的工程需求背景下，人们提出了“悬浮隧道”的概念，众多国内外学者对悬浮隧道的可行性、水动力问题、动力响应进行了研究，取得了一定成果。本文对这些研究成果进行梳理，并展望悬浮隧道关键技术未来的研究重点。

1 “悬浮隧道”的概念

“悬浮隧道”是近年来比较热门的海上交通方式，英文全称为Submerged floating tunnel，下文简称SFT，由于悬浮隧道的设计理论是从阿基米德的浮力定理中得来的，所以在意大利也称其为“阿基米德桥”。悬浮隧道一般由悬浮在水中一定深度的管状结构物、支撑结构（如：张力腿、浮箱等，保持水中悬浮隧道的稳定性并限制其位移）、与两岸相接的相关构筑物及管体之间相接部件组成。悬浮隧道概念示意图如图1所示。

图1 悬浮隧道概念示意图

2 悬浮隧道关键技术研究现状

2.1 国外研究现状

早在19世纪50年代，学者们就提出了一种新型的跨越水域的交通形式来替代传统桥梁，这种概念被称为“John Creed”悬浮隧道。1923 年，挪威取得了水下悬浮隧道研究的突破性进展，并获得了全球第一个关于此类型交通结构的专利。1960 年之后，对悬浮隧道这类交通结构的研究才开始变得更加正式。1966 年，Grant 首次提出了使用这种新型结构物来跨越Messina海峡的构想。除了挪威外，意大利也是对悬浮隧道的研究时间较长、范围较广泛的国家之一。此外，包括美国和日本在内的其他一些国家也根据本国相关的跨海交通情况，对悬浮隧道的研究工作进行了规划。

Federico Perotti[1]在研究解决时变轴向荷载下的横向振动问题时，开发了一个用于模拟锚固元件的“ad hoc”有限元，随后将该单元插入一个迭代程序中，用于对多支撑地震输入的非线性响应进行数值分析；该程序包括流体结构和土壤结构相互作用的简化建模[2]。这对后续SFT的研究是很有意义的。

Luo[3]建立了一个理论水动力模型来描述规则波作用下SFT 系泊缆的耦合动力响应。在该模型中，通过移动物体的Morison 方程估计波浪引起的水动力载荷，并使用四阶Runge-Kutta 和Adams 数值方法求解了带系泊缆的隧道的简化控制微分方程。Lin[4]研究了索长、浮重比、波浪周期、波浪陡度和水/淹没深度等参数对波浪荷载作用下SFT动力响应的影响。

Kunisu Hiroshi[5]利用边界元法基于衍射理论对波浪力进行了评估，并讨论了SFT 的尺寸和形状对波浪力的影响。而Chungkuk Jin[6]开发了一个时域耦合水弹性动力学模型，以解决波浪激励下的隧道系泊系统相互作用[7]。

JimmyNg K.T[8]和J.R.Chaplin[9]研究了SFT 在组合波流的条件下对尾流的流动特性；Zou[10]和Sung-il，Seo[11]将线性波理论应用于Morison方程，计算的力与试验测量的力吻合良好，试验结果表明，系泊系统对悬浮隧道在波浪中的运动中起着重要作用，单摆模型可用于描述具有单个垂直系泊的水下悬浮隧道的运动。根据验证的关系，还提出了导致水下悬浮隧道不稳定的简单松弛条件。

2.2 国内研究现状

悬浮隧道相对于传统桥梁，不在水平面以上跨越海峡，而是处于水中，对于两岸地貌影响较小，还原海域的自然风光。车辆通行受天气影响较小，有助于提高车辆通行速度和质量。尾气不直接排放于大气之中，有助于环境保护。就我国目前的跨江河、湖泊等交通形式的发展状况来看，能够利用的土地资源日益减少，剩下的自然环境较恶劣的地段只能通过更具创新、有效、安全的技术来实现。

在2000 年至今的23 年的时间里，我国也相继进行了有关SFT 的各项研究，尤其是在与意大利签订了关于金塘海峡SFT的建设合作协议之后，我国对SFT的关注度不断提高。位于舟山群岛和浙江陆地之间的金塘海峡，宽3000m，深度为50m，SFT 设计为一种宽度为28m，高度为12m 的双关节结构。随后，我国与意大利政府的关于SFT 研究的单位陆续展开合作。2006 年4月，中意两国正式签订了建造千岛湖SFT 原型隧道的合作协议书，此举标志着我国SFT 的研究已经从概念阶段迈向规划阶段。与此同时，国家自然科学基金委员会对国内关于SFT 研究机构的资助促进了我国SFT的技术积累。2013年，政府为探索新型交通方式，立项资助了招商局重庆交通科研设计院有限公司“深海悬浮隧道关键技术的前期研究”建设科技项目。招商局重庆交科院与国内致力于SFT 研究的中科院力学所、天津大学、合肥工业大学以及重庆交通大学组成了项目攻关组，在隧道建设国家工程实验室的基础上设计并建造了世界上最大的SFT 水下波-流耦合试验室。2016 年12 月，第二届国际悬浮隧道会议胜利召开，蒋树屏研究员担任大会主席。2017年10月，SFT水下波-流耦合试验室开始投入使用，并开展了各种关于波-流耦合水下动力试验，这象征着我国在SFT 领域的研究迈出了关键一步。

谢立广[12]通过将SFT 管体等效成具有弹性支撑的简支梁，为了方便分析SFT 的静力问题引用了传递矩阵法，而SFT管间的连接采用弹性铰使SFT结构体系的静力及动力特性的分析更加简便。

干湧[13]为了方便SFT 空间整体分析推导出虚拟层合单元理论，为计算构件界面的内力分布提供理论支持，其提出的虚拟层合单元理论对悬浮隧道管体研究的发展有着重要的理论意义。

秦银刚[14]等对流固耦合形式进行线性处理，为了得到稳定振动下的数据，试验中SFT 的张力腿系统之间的距离用Melnikov 方法进行分析，试验结果表示水流对支撑系统的流速和水流绕过张力腿形成的涡脱现象对SFT 支撑系统的振动影响显著；甚至跨度较大的张力腿会发生高阶形式的振动失稳现象，通过试验模拟建立了SFT 涡激振动方程，并对其进行了相应的数值分析。分析结果表明，锚索与海底水平面的夹角对响应影响并不大。

柏君励[15]等采用RANS 方程对部分试验工况进行数值模拟，并对波流与圆柱相互作用过程中自由面的变化以及波浪的反射情况进行分析；重点讨论了圆柱所受波流作用力的峰值随圆柱淹没深度的变化规律，并将试验测量的受力峰值与Morison 公式计算的理论值进行对比，发现波浪的反射和阻塞效应对波流作用力的峰值具有显著的影响。

侯志莹[16]分析隧道管体-锚索耦合作用下在单模锁定状态和多模非锁定状态下的涡激振动响应，考虑了恒流情况下水流速度对其涡激振动响应的影响，也考虑了在剪切流中涡激振动的位移和加速度响应。

王广辉[17]概述了水下悬浮隧道在水中受到的荷载，并对其进行了总结归类。较为详细地介绍了各种波浪理论，并对其适用范围进行了一定的分析；对波浪及水流对水下悬浮隧道的作用进行了重点分析，确定了计算理论。

李若雨[18]等研究了海水深度、悬浮隧道所处深度、波浪入射方向与悬浮隧道所成角度、波浪高度、波长等环境因素对结构动态响应的影响。得出不同计算方案中悬浮隧道的最大位移形态和最大位移形态出现的时间点及各节点的作用力分布曲线，以及结构变形最大处的坐标和节点作用力随时间变化的曲线。

阳帅[19]和柯威[20]通过对锚索破断行为和连续倒塌现象进行模拟，分析了不同波流参数、浮重比、断缆方式、断缆位置等因素对SFT 整体动力响应的影响，力求为实际的工程设计提供科学参考依据。

尤云祥[21]对水下水平圆柱在两层流体中的水动力响应做了分析，在线性势流理论的范围内用多极子展开的方法求解圆柱体振荡过程中的辐射势，对比潜体在不同振动模态下自由面的变化情况，并对附加质量和附加阻尼系数的解决方式进行了数值分析。

赵岚涛[22]通过数值模拟与模型试验相结合的方法来研究水下悬浮隧道的水动力响应分析与振动激励的问题，开展了波-流耦合作用下水中悬浮隧道结构选型必要参数的研究。

周建军[23]基于FLUENT软件构建数值波浪水槽，模拟分析了聚焦波浪对完全淹没状态水平圆柱的水动力作用。研究了水平圆柱存在时的聚焦波浪波面及流场特征，以及不同波陡聚焦波作用下的水平圆柱受力变化特征。研究表明：在圆柱存在时，波面形状基本保持不变，高阶谐波会发生相位的偏移，圆柱周围流场随波峰的到来产生主要的漩涡并随后脱落；四相位分离方法对圆柱水平和竖向作用力的分解有效，且发现其高阶作用力与总体作用力之比随波陡的增加而增大，波陡对圆柱竖向作用力的影响比水平方向更大。

2.3 研究现状综合分析

对悬浮隧道的研究尽管成果颇丰，但总体上还处于探索阶段，大多以数值模拟与试验的方式来进行。我国对悬浮隧道的数值模拟可在Ansys Fluent 中利用最广泛追踪面的VOF 法来实现对波面的监控，运用动网格技术编译udf文件实现对流场的模拟，利用基于雷诺平均的N-S 方程，即RANS 方程实现对数值模拟的求解；还有OpenFOAM 中的k-ε 模型和运算量更大更精确的大涡模型模拟。尽管如此，对于悬浮隧道的模拟工况也只实现了单变量的规则波或均匀流，甚至是规则波与均匀流耦合作用下的水动力响应分析，面对实际海域环境中复杂的波浪环境和水流条件，数值模拟的工况还处于一种理想状态。

在试验方面大多是在水池中放置单管节节段杆件或者多排管节节间刚性连接的情况，无法反映悬浮隧道在波流作用下接头结构对隧道整体的影响，而且进行缩尺处理后，小尺寸模型与实际情况的受力与受压状况还是不尽相同的。

3 未来研究方向的展望

上文梳理了国内外学者在悬浮隧道水动力特性与动力响应、锚固方式以及隧道界面的选取等因素的影响，包括波流耦合作用对悬浮隧道结构的影响分析等数值模拟和模型试验研究方面的成果，笔者作以下几点研究展望：

（1）水动力学模型试验能够提供波流作用过程最为直观的流体动力学现象认知，建立双排SFT 数值模型，研究波流共同作用下双排SFT 所受水平力与垂直作用力与两隧道间距和隧道管径比值的关系，观测隧道最大受力位置预估其破坏形式。进行不同淹没深度下波浪与水流对结构物受力及受力峰值的影响的试验研究，考虑两水平圆管绕流产生的涡场是否会与结构物发生共振，即涡激共振现象。

（2）试验需要采用高频流场粒子图像测速系统和高速图像采集分析技术捕捉波流冲击悬浮隧道演进过程中的速度场变化特征。基于速度场，利用流体力学基本理论推导涡量场、压力场，分析绕流场速度、涡量和压力空间分布随来流速度和波流特性的变化规律。基于PIV 速度场分析结果，分析波流共存时垂线速度剖面特征，建立速度场数学描述方法；基于高频图像分析结果，研究双排SFT 两隧道间距与隧道管径之间的关系。

（3）海洋的环境条件复杂，需要考虑到极端波浪和复杂水流对悬浮隧道结构的水动力响应分析，现有的研究大多考虑的是规则波，均匀流，规则波-均匀流耦合的情况，而这种理想工况无法正确地反映实际的海况，因此需要展开聚焦波、异重流等极端海洋环境对悬浮隧道整体结构的影响研究。

4 结束语

根据以上国内外学者的研究可以看出，悬浮隧道作为一种新型水下交通方式，想要应用在实际工程中，还需要解决诸多实际问题。结合海上复杂的情况，悬浮隧道确实能够以其独特的工程结构搭配相对简单的稳固方式，使这种跨越大型海域的交通方式在复杂的海域环境中得以实施，为了实施这项前沿的近海工程需要克服诸多挑战，还有许多关键技术需要研究，很多困难亟需解决，比如涡激共振现象的影响；双排SFT 两隧道间距与隧道管径之间的关系；聚焦波、异重流等极端海洋环境对悬浮隧道整体结构的影响。这是国内外相关课题学者进一步深入研究和探索的方向。