晁春峰

（浙江省交通科學(xué)研究院，杭州 310006）

0 引 言

進入21世紀(jì)以來，國家社會、經(jīng)濟等領(lǐng)域迎來了全面高速發(fā)展的黃金時期，大江、大河和湖泊上都修建了各種類型的橋梁、隧道等交通結(jié)構(gòu)物，把各個城市緊緊的聯(lián)系起來，方便了人們的生活。然而，我國大陸與臺灣島、海南島之間的交通，仍然依賴于昂貴的空中交通或者低速的海輪。隨著商業(yè)貿(mào)易、文化交流日益繁忙，建設(shè)固定交通通道勢在必行。但世界上最長的橋梁杭州灣跨海大橋和膠州灣跨海大橋，全長僅有36km，只是臺灣海峽寬度的五分之一，由此可見，采用傳統(tǒng)橋梁來建設(shè)跨越海峽，其技術(shù)難度和經(jīng)濟成本難以想象。

懸浮隧道 （Submerged Floating Tunnel，簡稱“SFT”）是一種新型的跨越長、深水域的交通結(jié)構(gòu)物，相比傳統(tǒng)橋梁或隧道具有強大的競爭優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ孩佼?dāng)跨越較大跨度及深水的水域時 （一般跨度超過1000m，水深超過50m），懸浮隧道的單位長度造價不會顯著增加；②懸浮隧道在自然環(huán)境作用下 （大風(fēng)、雨、雪、霧等），可以不受影響的正常使用，有效利用率高。但懸浮隧道所處環(huán)境完全不同于傳統(tǒng)的橋梁或隧道，其受波、流或地震等作用的影響較為復(fù)雜[1]，盡管各國學(xué)者對此進行了大量的研究和探索，但目前其技術(shù)還不夠成熟，尤其是設(shè)計和施工方法，還未上升到規(guī)范的層面，因此至今為止世界上還未建成一座懸浮隧道。

我國東部沿海是懸浮隧道未來建造的地區(qū)之一，但該區(qū)域位于環(huán)太平洋地震帶上，因此需要重點研究懸浮隧道在地震作用下的動力特性。關(guān)于懸浮隧道的地震影響分析，已有不少學(xué)者做了若干探索研究，提出了一些分析方法。Brancaleoni等[2]（1989）提出了在地震和波浪作用下懸浮隧道動力響應(yīng)計算方程，并對錨索固定的短跨徑和水下墩支撐的長跨徑兩種類型的懸浮隧道進行了地震響應(yīng)分析；Fogazzi等[3]（2000）和 Di Pilato等[4]（2008）利用三維空間梁單元，開發(fā)了能模擬水－結(jié)構(gòu)耦合和土－結(jié)構(gòu)耦合的計算程序，并構(gòu)造了大變形錨索單元，在此基礎(chǔ)上研究了懸浮隧道多點支撐地震效應(yīng)；Chen等[5]（2010）采用大質(zhì)量法，考慮了地震行波效應(yīng)，研究了懸浮隧道的地震響應(yīng)。上述相關(guān)的研究，基本上將邊界簡單地模擬成簡支、固支或彈性支撐，還不能反映兩端土體－駁岸結(jié)構(gòu)相互作用對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，沒有對懸浮隧道駁岸結(jié)構(gòu)引起的邊界條件變化進行更加深入的探討。

本文考慮橫向地震作用下懸浮隧道駁岸結(jié)構(gòu)周圍巖土性質(zhì)對邊界條件的影響，建立三維土彈簧約束的懸浮隧道數(shù)值模型，采用大質(zhì)量法，結(jié)合我國東部海域海床巖土性質(zhì)，并參照意大利Messina海峽懸浮隧道設(shè)計方案的參數(shù)[6]，詳細分析了邊界巖土性質(zhì)、駁岸結(jié)構(gòu)設(shè)計等對懸浮隧道地震響應(yīng)的影響。

1 計算模型

1.1 力學(xué)模型的簡化及模擬

由水下錨索錨固的懸浮隧道結(jié)構(gòu) （例如Messina海峽懸浮隧道方案[6]）如圖1所示，管體兩端為駁岸結(jié)構(gòu)，埋設(shè)于海床巖土中；中間為懸浮于水中的封閉管體；管體由水下錨索錨固于海底基礎(chǔ)上。在海洋環(huán)境中，水流力、波浪力的長期循環(huán)作用，會使駁岸結(jié)構(gòu)邊界土體性質(zhì)發(fā)生變化 （暫不考慮水下錨索基礎(chǔ)邊界土體性質(zhì)的變化）。因此，兩端土體對懸浮隧道管體的約束作用采用3個方向上的線性土彈簧單元近似模擬，并通過改變土彈簧剛度來近似模擬土體性質(zhì)的變化。結(jié)構(gòu)周圍水體對結(jié)構(gòu)的作用，采用Morison方程近似模擬，暫不考慮地震波在水體中的傳播對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動水壓力。

圖1 懸浮隧道示意圖 （單位：m）

1.2 土彈簧動剛度確定

土彈簧豎向 （z向）動態(tài)剛度[7]定義為：KV＝ΔFV／ΔδV，其中ΔFV為單位長度駁岸段與土體之間的動態(tài)豎向力，ΔδV為駁岸段的豎向位移；土彈簧橫向 （y向）和縱向 （x向）動態(tài)剛度[7]定義為：KL＝ΔFL／ΔδL，其中ΔFL為單位長度駁岸段與土體之間的動態(tài)橫向或水平向力，ΔδL為駁岸段的衡向或水平向位移。

當(dāng)駁岸段長度Lsh大于10倍的管體與土體的接觸寬度B時，可以將懸浮隧道駁岸段管體等效為彈性地基上的半無限長梁，則土彈簧豎向、橫向和縱向動態(tài)剛度可以分別表示為：

1.3 水作用力模型

單位長度柱體在靜水中運動時受到的水作用力，可用Morison方程給出：

式中：CD為錨索的阻力系數(shù)，Cm為附加質(zhì)量系數(shù)，U為柱體相對水體的位移；ρW為水密度，D為柱體特征長度。對雷諾數(shù)Re＞2.5×105的柱體，可取CD＝0.7、Cm＝1.0。

2 典型案例的模型參數(shù)

由于目前世界范圍內(nèi)還沒有建成懸浮隧道，因此，本文選用文獻[6]研究過的Messina海峽懸浮隧道設(shè)計及有關(guān)參數(shù)作為案例進行分析計算，該懸浮隧道的基本參數(shù)見表1。并在此設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，運用所提出的理論方法，對其多個設(shè)計參數(shù)進行參數(shù)分析，詳細研究懸浮隧道考慮邊界土體不同性質(zhì)時，其對地震響應(yīng)特性的影響。

表1 典型計算實例的基本參數(shù)

3 地震響應(yīng)的分析比較

為探求考慮懸浮隧道邊界土體性質(zhì)對其地震響應(yīng)特性的影響，本文對駁岸段長度Lsh、粘性土剪切模量G等參數(shù)進行了懸浮隧道地震響應(yīng)的參數(shù)研究。

3.1 邊界土體性質(zhì)對地震響應(yīng)的影響

對懸浮隧道動力特性的研究中，一般對駁岸段結(jié)構(gòu)的約束都簡單的等效為鉸支或固支，并認(rèn)為實際受力情況介于上述兩種約束情形之間。圖2給出了在不同駁岸段結(jié)構(gòu)的約束方式下，地震對懸浮隧道管體及錨索受力的影響。從圖2可知，懸浮隧道管體在地震作用下的位移最大值均出現(xiàn)于跨中，在彈性支撐下 （土彈簧）的位移最大值明顯地小于約束為鉸支和固支情況下的值，減小幅度分別達14%和16%；不同約束下管體最大彎矩也均出現(xiàn)于跨中，彈性支撐的彎矩值大于鉸支值，小于固支值；錨索索力增量 （張力和弛力）最大值出現(xiàn)于兩端 （短索），彈性支撐值達到鉸支值或固支值的約1.5倍，而跨中錨索索力增量則略小于鉸支值和固支值；管體最大扭矩值也出現(xiàn)于兩端 （扭矩約束點），彈性支撐值略小于鉸支值，與固支值相當(dāng)，在跨中其值大幅小于鉸支值和固支值。因此，可以看出，簡單把駁岸結(jié)構(gòu)約束簡化為鉸支和固支并不完全合理，特別是對于索力，會導(dǎo)致錨索設(shè)計的不安全。

圖3 駁岸段長度對地震響應(yīng)的影響

3.2 駁岸段長度對地震響應(yīng)的影響

圖3 給出了駁岸段長度對管體跨中位移 （圖3a）、管體跨中彎矩 （圖3b）、1＃索 （圖3c）和2＃索 （圖3d）的影響。從圖中可以看出，駁岸段計算長度的變化對管體跨中位移和彎矩及錨索索力均具有較大影響。在駁岸段計算長度Lsh＝100m～400m （Lsh／L＝0.033～0.13）范圍內(nèi)，駁岸段長度的增加對管體跨中位移、跨中彎矩和錨索索力均具有明顯的影響，但其影響并不是線性的，而是波動的。其中跨中位移最大變化幅度為15%、跨中彎矩最大變化幅度為27%、1＃索索力增量最大變化幅度為12% （張力）和30% （弛力）及2＃索索力增量最大變化幅度為13% （張力）和17% （弛力）；但是隨著駁岸段計算長度的繼續(xù)增加Lsh＞400m，管體跨中位移會大幅的增大，跨中管體彎矩和錨索索力也明顯增大。因此，懸浮隧道駁岸段的設(shè)計需要考慮多方面的因素，其計算長度選取必須按實際情況確定，假定為簡單約束可能會產(chǎn)生較大誤差。

3.3 粘土剪切模量對地震響應(yīng)的影響

圖4給出了粘土剪切模量對管體跨中位移 （圖4a）、管體跨中彎矩 （圖4b）、1＃索 （圖4c）和2＃索 （圖4d）的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著粘土剪切模量G的增大，總體趨勢上管體跨中位移和彎矩均會顯著地增大，而1＃索索力增量則會大幅度減小，因為剛度越大的彈性約束更加接近于固支約束條件，2＃索索力增量也會出現(xiàn)明顯的波動。但從局部變化看，粘土剪切模量的變化對懸浮隧道地震響應(yīng)影響規(guī)律并不是線性的，而是波動的。其中管體跨中位移在Su／Ip≤8范圍內(nèi)增幅為25%、在Su／Ip＞8時最大變化幅度為5%以內(nèi)；管體跨中彎矩在Su／Ip≤8范圍內(nèi)增幅為29%、在Su／Ip＞8時最大變化幅度為16%以內(nèi)。錨索索力增量變化較為復(fù)雜，1＃索索力增量在Su／Ip≤6范圍內(nèi)張力增幅為19%，隨后大幅減小35%并趨于穩(wěn)定，而弛力則相對平緩的減小35%后接近固支約束值；2＃索索力增量變化又不同于1＃索，其張力最大變化幅度為15%，弛力最大變化幅度為50%。當(dāng)Su／Ip＞10時，結(jié)構(gòu)剛度矩陣接近病態(tài)，計算結(jié)果無法采信。但是根據(jù)常理可知，當(dāng)粘土變硬，則邊界條件越接近固支，因此，圖中虛線部分是其趨勢。綜合上述現(xiàn)象，可知土體性質(zhì)的變化會對懸浮隧道地震響應(yīng)特性帶來巨大影響，但是其影響規(guī)律較為復(fù)雜，可能與懸浮隧道結(jié)構(gòu)動力特性、地震波的特性等因素相互影響，需要進一步對各種實際情況的計算才能給出合適的計算結(jié)果，這對將來設(shè)計建造懸浮隧道帶來一定程度上的困難。

圖4 粘土剪切模量對地震響應(yīng)的影響

4 結(jié) 語

本文在考慮土體性質(zhì)對駁岸段結(jié)構(gòu)約束影響的基礎(chǔ)上，研究了橫向地震作用下懸浮隧道的地震響應(yīng)，并以Messina海峽懸浮隧道方案為基本模型，計算得到了其在地震作用下懸浮隧道管體位移、彎矩、扭矩和錨索索力，并對駁岸段長度Lsh和粘性土剪切模量G進行了參數(shù)分析，得到以下結(jié)論：

（1）橫向地震作用下，懸浮隧道管體的最大位移、彎矩和扭矩均出現(xiàn)于管體跨中，錨索索力增量最大值出現(xiàn)于短索；彈性支持下，管體最大位移和扭矩會減小，最大彎矩則介于鉸支值和固支值之間，短索索力值則會大幅增大；

（2）駁岸段計算長度的變化對管體跨中位移和彎矩及錨索索力均具有較大影響，但其對管體位移、彎矩和錨索索力的影響是波動的；在一定長度范圍內(nèi)，駁岸段結(jié)構(gòu)對懸浮隧道地震響應(yīng)是有利的，超過該范圍后，駁岸段結(jié)構(gòu)將對懸浮隧道地震響應(yīng)產(chǎn)生不利影響；

（3）粘土剪切模量的變化會對懸浮隧道地震響應(yīng)特性帶來顯著影響，其影響規(guī)律也是波動的，可能與懸浮隧道結(jié)構(gòu)動力特性、地震波的特性等相關(guān)參數(shù)具有耦合關(guān)系，需要進一步的研究探索。

（4）在懸浮隧道地震響應(yīng)分析中，不能把駁岸結(jié)構(gòu)處理成簡單的約束形式 （鉸支、固支或一般彈性支撐），應(yīng)考慮其實際約束情況，不然會產(chǎn)生較大的計算誤差。

[1]項貽強，晁春峰.懸浮隧道管體及錨索耦合作用的渦激動力響應(yīng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2012，46（3）：409－415.

[2]Branchaleoni F，Castellani A，D'Asdia P.The response of submerged tunnels to their environment[J].Engineering Structures，1989，（11）：47－56.

[3]Fogazzi P，Perotti F.The dynamic response of seabed anchored floating tunnels under seismic excitation[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2000，（29）：273－295.

[4]M.Di Pilato，F(xiàn).Perotti，P.Fogazzi.3Ddynamic response of submerged floating tunnels under seismic and hydrodynamic excitation[J].Engineering Structures，2008，30 （1）：268－281.

[5]Chen Wenjun，Huang Guojun.Seismic wave passage effect on dynamic response of submerged floating tunnels[C]／／Proceedings of first international symposium on Archimedes Bridge，Chun′an：Procedia Engineering，2010， （4）：217－224.

[6]G.Martire，B.Faggiano，F(xiàn).M.Mazzolani，et al.Seismic analysis of a SFT solution for the Messina Strait crossing[C]／／Proceedings of first international symposium on Archimedes Bridge，Chun’an：Procedia Engineering，2010，（4）：303－310.

[7]Det Norske Veritas.DNV Recommend Practice，F(xiàn)ree Spanning Pipeline[S].Norway：Det Norske Veritas，2006.

[8]鄭志昌，陳俊仁，朱照宇.南海海底土體物理力學(xué)特征及其地質(zhì)環(huán)境初步研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，31（4）：50－54.