水下懸浮隧道基礎(chǔ)形式初探★

張 煥 蘇志彬*

(聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252059)

水下懸浮隧道基礎(chǔ)形式初探★

張 煥 蘇志彬*

(聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252059)

對水下懸浮隧道的三種形式作了介紹，通過查閱大量權(quán)威書籍，搜集、整理資料，得到了各種水下基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)缺點以及適用范圍，為水下懸浮隧道基礎(chǔ)的選擇提供可靠依據(jù)。

水下結(jié)構(gòu)，懸浮隧道，基礎(chǔ)

0 引言

社會不斷發(fā)展、人口急劇膨脹，環(huán)境日益惡化、陸地資源逐漸枯竭，人類迫切需要制訂一種新的發(fā)展戰(zhàn)略目標。所以，海洋以一種特殊的身份重新進入人們的視野。同時，世界經(jīng)濟水平與科學技術(shù)的迅猛發(fā)展也為人類走近海洋奠定了堅實的基礎(chǔ)。部分發(fā)達國家在水下結(jié)構(gòu)方面已有了較好發(fā)展，為人類繼續(xù)研究積累了寶貴經(jīng)驗。

輪渡，橋梁，水下隧道是跨越江河湖海的三種主要形式。輪渡投資最少，但因其運輸量小，等候時間長，受氣候影響最大等原因，遠遠不能滿足現(xiàn)代經(jīng)濟的快速發(fā)展。水下隧道與橋梁相比優(yōu)點如下：不影響海域生態(tài)環(huán)境，不破壞航運，不侵占航道凈空，還能有效避免塵土噪聲對環(huán)境的影響，十分有利于環(huán)境保護；一般無通行車輛載重限制，具有超強的承載能力，根本不受天氣氣候變化的影響，具有很強的抵抗戰(zhàn)爭破壞、自然災害和突發(fā)事件的能力，有穩(wěn)定暢通的通行能力。故水下隧道必定成為日后人類跨越江河湖海的新寵。

與傳統(tǒng)水下隧道相比，水下懸浮隧道是一種新型的水下隧道形式,在造價、環(huán)保等方面更為優(yōu)秀。水下懸浮隧道在近半個世紀以來吸引了眾多國內(nèi)外專家學者的關(guān)注。

1 水下懸浮隧道形式

水下懸浮隧道主要有以下三種形式：

1)樁柱支撐式水下懸浮隧道：該結(jié)構(gòu)形式設計得比較輕，適合于隧道管體結(jié)構(gòu)且水深小于100 m的情況。并通過固定于海底的樁柱來維持隧道管體的穩(wěn)定。2)浮筒式水下懸浮隧道：該結(jié)構(gòu)形式設計得比較重，適合于懸浮隧道結(jié)構(gòu)且管體所受重力大于浮力的情況，靠連接在管體上的浮筒來維持隧道管體的穩(wěn)定。3) 張力腿或錨索式水下懸浮隧道：該結(jié)構(gòu)形式既適合于管體所受浮力小于重力的情況，也適合于所受浮力大于重力的情況，浮力的大小可以作為采用柔性還是剛性的錨索或張力腿的依據(jù)，靠連接在海底基礎(chǔ)上的錨索或張力腿維持隧道管體的穩(wěn)定。

張力腿或錨索式水下懸浮隧道，結(jié)構(gòu)形式靈活，可以在深度變化很大的范圍內(nèi)進行修建，并可與其他的錨固形式聯(lián)合使用。因此，根據(jù)我國懸浮隧道的適合修建懸浮隧道場所的環(huán)境條件及研究現(xiàn)狀，我國專家學者的研究對象皆為張力腿(錨索)式懸浮隧道。

2 水下基礎(chǔ)

地基基礎(chǔ)只有承受足夠大的上拔荷載才能適應十分復雜的海洋工程和海岸環(huán)境，承受斜向抗彎荷載與水下、水平壓荷載。但是，相比抗壓樁，抗拔樁的研究十分罕見。我國對于抗拔樁的變形和承載力的研究有重大突破，在土體破壞形態(tài)和土中應力以及上拔荷載與位移的測試中，劉文白等[1]總結(jié)出以下結(jié)論：擴展基礎(chǔ)在風積沙淺埋中上拔強度的原理是壓縮—塑性區(qū)開始出現(xiàn)并大幅度擴展—破壞整體的漸進性剪切破壞，這些原理不僅將土中應力通過測試得到驗證，還進一步解釋說明了上拔承載能力在土層壓縮過程中如何產(chǎn)生。關(guān)于樁身變形、開裂、最大側(cè)摩阻力以及側(cè)摩阻力的效果在抗拔樁中的體現(xiàn)經(jīng)過靜載檢驗，王之軍[2]做了以下分析，并和抗壓柱進行了對照。結(jié)論如下：抗壓樁臨界位移比抗拔樁大，一樣的柱頂荷載抗壓樁的樁身變形比抗拔樁小。并運用混凝土雙折線應變應力模型，荷載傳遞的雙折線總結(jié)出抗拔樁荷載傳遞靜力平衡法，對抗拔樁在均質(zhì)土中做了變形分析。

淺水域中的水中懸浮隧道，需用抗彎性能和抗拔性能好的樁基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，吸力式沉箱、錨板基礎(chǔ)和桶形基礎(chǔ)在海洋工程和海岸工程應用相對較廣。

1)吸力式沉箱。20世紀70年代首先適用于近海工程。圓筒由鋼筋混凝土做成，位于頂部，亦可由通過適當連接的多個圓桶組成。開有抽氣孔的封閉上端和敞開的底端是吸力式沉箱的一大特點。吸力式沉箱作為新型基礎(chǔ)，其吸力是由抽水產(chǎn)生的，并安裝于海床中。安裝程序如下：在重力作用下將基礎(chǔ)首先下沉至海底，接著通過抽氣孔用真空泵抽出桶中的氣包括水和土，這樣一來，負壓便在桶中形成——稱為主動吸力，通過內(nèi)外壓力差沉箱被壓入土中，土把圓桶空腔填滿是結(jié)束操作的標志，也正是通過這一安裝方式，為吸力式沉箱的推廣打下堅實的基礎(chǔ)。但海洋吸力式沉箱仍接受著大自然的嚴峻考驗，先不說它自身地基所需承受的靜力荷載，如何解決復雜的地基土體受力狀態(tài)與長時間的波浪力作用將成為我們以后的主攻方向。在吸力式沉箱的極限承載和吸力式沉箱的特性方面，王志云[3]等人進行了相應的分析研究。顯然，地基設計者十分關(guān)心的問題還包括海洋巖土動力學研究、靜、動力穩(wěn)定性分析。吸力式沉箱的優(yōu)點：提供較高的承載力，方向不受限制，可以存在于任何環(huán)境之中等一系列特點，使其廣泛應用于海洋工程油氣的開發(fā)；更為可喜的是需要移動平臺時，沉箱內(nèi)可用真空泵通過抽氣孔泵入氣、水和土，從而從土中將沉箱輕易拔出，如此一來吸力式沉箱便可以重復使用，大量降低了成本和節(jié)約了資源。而且，吸力式沉箱不受水深的限制，這種基礎(chǔ)形式目前已經(jīng)在2 000 m深水中采用，效果很好。與傳統(tǒng)的打入式樁和拉錨相比，其優(yōu)點還包括安裝速度快、安裝簡單，實際工程中最短在24 h內(nèi)便可將這種吸力式沉箱基礎(chǔ)安裝完畢。

2)平板錨。平板錨廣泛應用于巖土工程，作為一種基礎(chǔ)形式提供抗拔力，像電視塔、輸電線桿塔和桅桿中均普遍采用這種抗拔基礎(chǔ)，與吸力式沉箱不同，其作為錨固基礎(chǔ)應用于海洋工程的歷史十分短暫，僅不到十年[4]。矩形和方形是現(xiàn)在通常使用的平板錨，使錨板旋轉(zhuǎn)至工作位置的方法十分巧妙：錨板被使用一定方法豎直插入到土體中，并將錨鏈與錨腿連接起來，這樣錨板在加載時會在錨鏈與錨腿的作用下產(chǎn)生一定彎矩。還有一種方法就是通過鉗式臂在豎向貫入平板錨的工作下將平板錨直接插入到土體中。除了豎向貫入平板錨，平板錨還分為吸力式預置平板錨。針對平板錨的拔出過程和承載特性等方面做了數(shù)值模擬分析和相關(guān)試驗研究的有劉君，王棟等人[5，6]。平板錨的缺點：超深水和深水環(huán)境下作業(yè)難度大，錨板埋置深度有限。平板錨的優(yōu)點：通過吸力式沉箱安裝錨板的吸力式預置平板錨操作流程如下：在壓力差的作用下將預先豎直放置的吸力式沉箱中平板錨壓入到指定的深度；拔出沉箱；使平板錨在旋轉(zhuǎn)的作用下找到合適的工作位置。這樣的安裝過程不僅避免了拖拉式預置錨定位不準確的缺點，還保證了錨板足以達到預定的深度。用來協(xié)助安裝錨板的吸力式沉箱，仍可以重復使用。綜上所述，吸力式預置平板錨是在更適合深海水域的基礎(chǔ)上，具有比拖拉式預置錨和吸力式沉箱更可靠的錨固系統(tǒng)。

3)桶形基礎(chǔ)。一種大型薄殼結(jié)構(gòu)的桶形基礎(chǔ)，由挪威土工研究所[7]最早成功研制，分裙板和頂板兩個主要結(jié)構(gòu)，多為圓柱薄殼結(jié)構(gòu)并采用下端開口，上端封閉的形式，倒扣的鋼桶是對其外觀最為生動、形象的描述。混凝土結(jié)構(gòu)桶形基礎(chǔ)并不多見，常見的是鋼制桶，而且據(jù)應用領(lǐng)域不同，可分為多桶和單桶結(jié)構(gòu)。它吸取了具有裙板的重力基礎(chǔ)和負壓錨樁等海洋結(jié)構(gòu)物的大部分優(yōu)點，結(jié)構(gòu)形式、工作原理與吸力樁相同。桶形基礎(chǔ)的缺點：高度和直徑大是桶基礎(chǔ)得到較大承載能力的保證，這樣才能適應泥沙軟土的海底地基條件。隨之而來的就是工程制造、沉放和設計理論的難題；基礎(chǔ)的水平位移在泥沙軟土的海底也不方便控制。桶形基礎(chǔ)的優(yōu)點：施工周期短，短期內(nèi)即可投入使用，而且可多次重復回收使用。而且對于重力式錨無法實現(xiàn)的高錨固力需求的土質(zhì)松軟的海底表層土質(zhì)情況，桶形基礎(chǔ)的負壓桶可將其輕松解決，即對海上吊重能力的需求大幅降低；錨固能力全方位提供、結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得以保證是船用抓力錨所無法實現(xiàn)的。其較高的靈活性和機動性，高精度定位，受力后較小位移，可承受的較大水平力以及抗拔力解決了先前無法處理好的技術(shù)難題，完善了水下結(jié)構(gòu)技術(shù)體系[8]。

3 展望

如今，科學技術(shù)日新月異，新型結(jié)構(gòu)材料的研究也為結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供了理論基礎(chǔ)；結(jié)構(gòu)功能的發(fā)展為結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提出了新的需求，新型水下結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新在國內(nèi)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的進展下也得以實現(xiàn)。而且，目前測定技術(shù)、計算機技術(shù)和測試儀器已逐漸成熟，水下結(jié)構(gòu)研究方法的內(nèi)涵不斷地加深，必將趨于復合化和多樣化來更好滿足人類對水下結(jié)構(gòu)的需求。相信在不久的將來，我國在大河、大江或海峽的通道建設中將實現(xiàn)懸浮隧道建設新的突破，譜寫我國水下交通建設的新篇章。

[1] 劉文白，曹玉生，孟克特木爾.風積沙地基擴展基礎(chǔ)的抗拔機理與計算[J].工業(yè)建筑，1998,28(11):35-38,60.

[2] 王之軍.等截面豎向單樁抗拔承載力試驗研究及變形非線性分析[D].北京:中國地質(zhì)大學博士學位論文，2006.

[3] 王志云.軟土地基上吸力式沉箱基礎(chǔ)的抗拔承載特性研究[D].大連:大連理工大學博士學位論文，2008.

[4] Dove P,Treu H,Wilde B.Suction embedded plate anchor(SEPLA):a new anchoring solution for ultra-deepwater mooring.Proc.DOT Conf.,1998,New Orleans.

[5] Liu J,Wu L,Hu Y.Pullout capacity of circular plate anchors in NC clay[J].Journal of Dalian University of Technology,2006,46(5):712-719.

[6] Song Z,Hu Y.Vertical pullout behaviour of inclined plate anchors in uniform clay.Proc.Int.Symp.on Frotiers in Offshore Geotechnics,IS-FOG05,2005,Perth.

[7] 施曉春,徐日慶,龔曉南，等.桶形基礎(chǔ)發(fā)展概況[J].土木工程學報，2000,33(4):68-73,92.

[8] 楊家?guī)X，王書法,孔令偉，等.桶形基礎(chǔ)采油平臺三維有限元穩(wěn)定計算分析[J].巖土力學，2002,23(5):640-644.

Inquiry on foundation form of underwater floating tunnel★

ZHANG Huan SU Zhi-bin*

(CollegeofBuildingEngineering,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

The paper introduces three kinds of underwater floating tunnel. Through looking up books and collecting and collecting data, it achieves various underwater foundation structure forms, defects and merits and application scope, which has provided reliable basis for underwater floating tunnel foundation selection.

underwater structure, floating tunnel, foundation

1009-6825(2014)07-0162-03

2014-01-08★：聊城大學大學生科技文化創(chuàng)新基金(項目編號：SF2012231)；國家自然科學基金資助(項目編號：51108224)；山東省自然科學基金資助項目(項目編號：ZR2013EEL006)

張 煥(1991- )，男，在讀本科生； 蘇志彬(1980- )，男，碩士，講師

U452.21

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