水中懸浮隧道錨索的相關(guān)進展

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

一、引言

近年來隨著科技和社會的發(fā)展，人類的活動范圍越來越廣泛，人們對交通的需求也越來越大。水下隧道的建設(shè)也漸漸的從平坦的江河向充滿溝壑的海灣、海峽發(fā)展，傳統(tǒng)的水下隧道建設(shè)方法面臨著巨大的挑戰(zhàn)。所以水下懸浮隧道(Submerged floating tunnel，簡稱SFT，在意大利水下懸浮隧道又稱作“阿基米德橋”[1])這種依靠支撐系統(tǒng)在水中保持平衡的水中懸浮隧道建設(shè)工法自然而然的被提出，也成為了近年來國內(nèi)外隧道行業(yè)領(lǐng)域研究的熱點。SFT打破了傳統(tǒng)橋梁和隧道的局限，為穿越水深深度大的海灣、海峽提供了方案。

由于SFT的結(jié)構(gòu)特點，與傳統(tǒng)的橋梁和隧道相比較，SFT具有以下特點[2]：

(1)由于SFT處于水下一定的深度，所以，不會影響水上的通航，也不會受地面上天氣的影響。

(2)因SFT在水中建造，所以，不會破壞水面上的環(huán)境，影響當?shù)氐娜宋木坝^。

(3)SFT由分段管節(jié)組合而成，受水深和跨度的影響較小，并且單位長度的造價不會隨著跨度的增加而增加。

(4)與傳統(tǒng)的水下隧道相比，SFT的水深更淺，減小了隧道的坡度和長度，大大降低了開挖的費用，降低了成本，并且減小了汽車尾氣的排放，使隧道內(nèi)有害氣體大大降低。

(5)由于SFT的錨索支撐的工法，有效的減小了地震對隧道的危害，大大增加了隧道的安全性能。

雖然SFT具有很大的應(yīng)用空間，但是世界上仍然沒有一座正在意義上的SFT[3]。

二、SFT錨索的種類

由SFT的受力分析可知，錨索式懸浮隧道主要是利用自身的重力、浮力以及錨索間的互相作用而達到一種平衡狀態(tài)的，所以對于一個具體的工程實際問題，利用什么類型的錨索主要看三者之間力的相互作用的大小，從而確定錨索的類型。從目前的國內(nèi)外研究成果來看，主要有三種類型[4]:

(1)剛性錨索。利用鋼管或鋼桿作為錨索的材料，剛度大，抗彎性能好，承受一定的壓力。但是自身重力大，彈性小而且抗拉剛度低，不容易安裝，工程量大。一般很少采用。

(2)鋼絞線柔性索。運用鋼絞線或者平行鋼絲束作為錨索的材料，并且此類材料在橋梁中的運用已經(jīng)非常成熟。但是此類材料的抗腐蝕性能差，尤其是在海水中。經(jīng)過適當處理后一般可以考慮使用。

(3)輕型化合物纖維索。把芳族聚酰胺作為錨索的材料，抗腐蝕的性能好，重力小，耐磨性好。但此種材料的變形量有限，抗疲勞性能差?？梢栽谒髁魉倨骄彛芷陂L的水域使用。

三、錨索的布置形式

纜索式SFT的錨索有多種不同的布置形式，在不同的水域和環(huán)境下都會有相應(yīng)不同的布置形式，進而達到合理、穩(wěn)定的狀態(tài)，使懸浮隧道達到最安全的狀態(tài)。根據(jù)近幾十年國內(nèi)外的研究成果來看，纜索式SFT錨索的布置形式主要有以下五種類型[4]：

(1)垂直布索。SFT垂直布索的方式是通過錨索抵抗豎直方向的荷載，水平方向的荷載則通過水平布置成供的隧道管體本身抵抗或通過錨固在岸上的水平錨索抵抗，對錨固基礎(chǔ)的要求不高。但是此種布置形式對水域環(huán)境要求很高，只適用于水流平緩，洋流方向固定水域。

(2)傾斜布索。因其傾斜的布索方式，錨索的受力會有豎直和水平兩個方向的分量。豎直方向的分量抵抗隧道管段浮力產(chǎn)生的豎向荷載，水平方向的分量抵抗由于水流或其他環(huán)境造成的水平荷載。這種布置方式適用于水流湍急、方向多變的水域，但是因其需要承受較大的荷載，所以對地質(zhì)的要求很高。

(3)混合布索。這種布索方式綜合了垂直布索和傾斜布索的優(yōu)勢，利用傾斜布置的錨索的水平分量抵抗由于水流或者環(huán)境產(chǎn)生的水平方向的荷載，利用傾斜錨索的分量和垂直錨索一同抵抗豎直方向的荷載。這種布置方式適用于環(huán)境更加惡劣水域，但這種方式需要更多的錨固基礎(chǔ)，施工難度更大，費用更高。

(4)附加質(zhì)量塊布索。這種布索方式是傾斜布索與懸掛質(zhì)量塊的短索組合而成的，質(zhì)量塊短索和傾斜索間隔布置。利用傾斜索的水平分量抵抗水平荷載，傾斜索的豎直分量和質(zhì)量塊共同抵抗豎直荷載。但質(zhì)量塊水平方向的穩(wěn)定性難以保證，適用于水流平緩、地勢復雜的水域。

(5)扇形布索。對彈性支撐區(qū)域進行了加密，減小了隧道管段的彎矩，對隧道管段的強度要求降低。但因為錨固基礎(chǔ)承受多根錨索的應(yīng)力，所以此種布索方式對錨固基礎(chǔ)的要求很高。適用于環(huán)境惡劣、地形復雜的海域。

部分布索形式如圖3-1、圖3-2所示。所以對于不同的水域環(huán)境和地形特點可以采用不同的布索方式以達到經(jīng)濟、安全、可靠的效果。

圖3-1 垂直布索

圖3-2 傾斜布索

四、結(jié)論

(1)雖然SFT的研究已經(jīng)擁有很長的歷史，但是如今的研究并不是非常深入，距離真正擁有一條懸浮隧道還有很長的路要走。

(2)SFT錨索的材料經(jīng)過長時間的探索找到了多種不同的材質(zhì)和各種布置形式。從目前的研究情況來看，它們在不同的環(huán)境和水域條件下，在選擇適當?shù)那闆r下，可以達到最優(yōu)的穩(wěn)定效果，和合理的經(jīng)濟效果。