科技前沿 | 疯狂的水下悬浮隧道，带你穿梭于这片蓝色世界
阿基米德桥，因阿基米德原理而得名，又称水中悬浮隧道，是一种用于跨越海峡、海湾及其它深水域的新型水下隧道交通。由于其具有自然环境影响小、建造地点选择比较自由、通行时间短、环保等优点，阿基米德桥正受到越来越多关注。
图片丨阿基米德桥效果图
阿基米德桥的概念最早在20世纪初提出，早期研究主要集中在可行性方面，实质性研究从20世纪90年代初的概念设计和模型试验开始。目前，挪威、意大利、日本等国家已经作了较全面的研究，拥有一些专利技术和标准，但目前世界上还没有建设的阿基米德桥。
图片丨悬浮隧道剖面图
我国关于阿基米德桥的研究刚刚起步，但起点较高，已有学者陆续取得一些成果，如浙江大学干湧提出采用虚拟层合理论对悬浮隧道进行空间整体分析，西南交通大学麦继婷等对悬浮隧道在波流作用下的涡激动态响应进行了计算和分析。
— 优势 与 分类 —
阿基米德桥在水下交通工程的优势主要表现为：一是对两岸地貌影响非常小；二是不受跨度、水深限制，可建在长跨度、水位深、陡峭的地方；三是全天侯工作，不受大江或海峡的风浪、大雾限制；四是由于借助浮力，一旦技术成熟，同桥梁、隧道相比具有造价优势，其单位长度造价不随跨度的增加而增加，且悬浮隧道一般的坡度较桥梁方案平缓，使得汽车能量的消耗降低。就目前各界的研究表明，阿基米德桥主要分为四种结构形式：自由式、浮筒式、承压墩柱式和锚索式。
自由式结构将管道与陆地暗挖段直接连接，不设置锚碇和基座。该结构形式简单，规模较小，用料节省，但建造难度大，对环境要求苛刻，一般很少考虑。
浮筒式结构通过控制管体截面压仓荷载和实空比，使其所受浮力小于重力，有下沉趋势，利用锚索与水面浮筒连接或管道与水面浮筒整体制造，来保证结构稳定性。该结构不受水深制约，但只能提供竖向约束，须克服船只、波浪及浮冰影响，适用于水流平缓、波浪浮冰较少、通航量较少的水道。
▲浮筒式阿基米德浮桥
承压墩柱式结构通过控制管体截面压仓荷载和实空比，使其所受浮力小于其重力，有下沉趋势，利用海底固定承压墩柱将管道结构支撑于设计高度。该结构形式简单，传力明确，应用相对成熟，但水深不能太大，需要良好的土质条件，否则施工难度增加，且不经济，适用于水深不大的跨越通道。
▲承压墩柱式阿基米德浮桥
锚索式结构通过控制管体截面压仓荷载和实空比，使其所受浮力大于其重力，有上浮趋势，通过锚索将管道与海床基础相连，以保证结构稳定性。该结构形式灵活，可在深度变化很大的范围内修建，但是受到涡激振动影响，锚索易发生疲劳损坏，且锚索与水平面的理想夹角需慎重确定，适用于水流湍急、更恶劣的海况。
▲锚索式阿基米德浮桥
悬浮隧道技术
悬浮隧道技术具有隧道和海洋工程结构的双重特性，这对于结构整体受力研究影响不大，但对于研究细部受力及内力变化则有一定影响，会使精细结构模型的分析效果大打折扣。目前还存在很多没有攻克的技术难题，如受力分析不够精准、模型试验不够成熟、流固土耦合问题分析尚未解决、环境与结构的互相影响仍需研究、支撑系统与基础承载特性的研究不够透彻、腐蚀与疲劳影响尚未攻破等。
综上所述，阿基米德桥作为一种独具特色和竞争力的全新概念和结构形式的新兴事物，极具发展前景，虽然与传统的隧道和大跨度桥梁相比，阿基米德桥的分析手段还比较粗糙，研究的内容还很不全面，面临着大量的基础力学问题需要解决，一些关键施工技术没有解决等因素，尚未得到社会各阶层的普遍认可。但是，从世界各国学者关于阿基米德桥的研究现状来看，阿基米德桥的实现指日可待，一旦实现，必将谱写世界交通基础建设事业的新篇章。
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