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芮清仁斋

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【转载】[奇闻] 阿基米德桥:疯狂的水下悬浮隧道(28P)  

2017-03-18 02:21:22|  分类: |  标签: |举报 |字号 订阅

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[奇闻] 阿基米德桥:疯狂的水下悬浮隧道(28P) - 路人@行者 - 路人@行者
  挪威是个神奇的国度,由于领土南北狭长,海岸线漫长曲折,沿海岛屿众多,被称为“万岛之国”。挪威以动人心魄的壮丽海湾闻名,1,190个峡湾一直是挪威人的最爱。不过这些峡湾也给出行带来了极大不便,因为他们需要汽车渡轮来帮助车辆渡过峡湾,这也成为普通挪威人的痛。“给我一个支点,我就能撬起整个地球”。阿基米德原理告诉我们“物体在液体中所获得的浮力,等于它所排出液体的重量。”基于这一原理,有一种称为阿基米德桥(Archimedes bridge)的水下悬浮隧道(SFT:Submerged Floating Tunnel)应运而生。当人们还在感叹于海底隧道这样的工程创举时,挪威人已经在着手将阿基米德狂想变为现实。这个北欧国家正式宣布将开启一个耗资250亿美元的水下悬浮隧道项目,这将是世界上首个悬浮的水下隧道。

[奇闻] 阿基米德桥:疯狂的水下悬浮隧道(28P) - 路人@行者 - 路人@行者
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  这是一项雄心勃勃的计划——耗资250亿美元在克里斯蒂安桑(Kristiansand)和特隆赫姆(Trondheim)之间的松恩峡湾(Sogne fjord)打造一个“漂浮”的两车道海底隧道,预计2035年完工。这个浮动隧道位于松恩峡湾下方,松恩峡湾本身超过1,200米深、900米宽。松恩峡湾就和很多巨大、无聊的峡湾一样,为出行制造了很多挑战,如果你想要开车从挪威南部的 Kristiansand 前往北部的 Trondheim ,你需要用高速公路与渡船相结合的方式,跨越 7 道峡湾,行驶约 1094 公里,花费约 21 小时。而隧道建成之后,路程将缩短至 10.5 个小时。

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  其实挪威公路局在2011年的时候就宣布了这项计划,至于怎么建,从哪开始从哪结束,工程师们争论了很久。最终选择了建造“水下浮桥”主要还是因为,虽然造价相对大桥贵了一点,但至少人家能更轻松应对各种极端天气,毕竟海的比热容更大。更重要的是,隧道不会破坏海上船舶航行、风景也不会破坏。

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Types of water crossings. 1: Suspension bridge 2: Archimedes bridge 3: Immersed tube 4: Undersea tunnel
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[奇闻] 阿基米德桥:疯狂的水下悬浮隧道(28P) - 路人@行者 - 路人@行者

  那么问题来了,为什么工程师们不挖个隧道贴着海底呢?原因很简单啊,松恩峡湾本身超过4000英尺深,相当于1.2km,深挖防空洞什么的对于维京人而言实在太难了。不过一旦隧道建成,在水面上还是能看到一系列浮桥。这些“水下浮桥”听起来像是隧道,但挪威海湾的深度迫使他们采取不同的方式:这些桥梁在水下100英尺处,由浮码头悬浮。为了更加稳定,缆索能够确保隧道到达峡湾地面。这两个通道能够保证各方向的交通。

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  如果项目完工,将会有两根管道横跨松恩峡湾。水面上还会有一系列的浮桥,保证管子可以悬浮起来,连接梁也可以让其更稳定。挪威公共道路管理局表示,虽然结构是悬浮的,但在悬浮隧道内的驾车体验就和普通隧道里一样,不会感受到隧道的摇晃。公共道路管理局的高级工程师Arianna Minoretti表示在完工之后,浮动隧道中开车与平时公路驾车并不会有太大区别。虽然你每次开车通过松恩峡湾的时候,路线可能都会不大一样,不过没关系,毕竟要比之前至少节省了10个小时,说不定还能拉动旅游经济,毕竟很多人长这么大都是没有见过这样的浮动水下隧道的。

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  阿基米德桥又名水中悬浮桥,是跨越深水域的新交通方式。它固定在水面以下,借助浮力悬浮在水底和两岸,以防浮出水面,桥顶距水面保持20米以上的距离,以便大吨位船只通行。阿基米德桥的概念最早是在20世纪初提出的。20世纪60年代,英国人曾就意大利墨西拿海峡的阿基米德桥提出了概念设计。意大利阿基米德桥公司成立于1984年,其重要业务之一就是推动阿基米德桥的设计和实现。上世纪90年代后期,阿基米德桥公司曾和中国浙江省有关部门合作,致力于在舟山群岛建设金塘海峡阿基米德桥,后因种种原因设计方案未被采纳。由想象到现在也已有上百年的历史。经过长时期的酝酿,特别是很多离岸海洋工程的建造技术的发展,SFT的设计思想才日臻成熟起来。意大利学者Faggiano and Mazzolani,2001对此进行了大量可行性研究,旨在使SFT概念及其基本设计理念更为实用化。具有里程碑意义的是1969年Alan Grant 对跨麦森纳海湾( Messina Strait)提出的阿基米德桥的结构设计:它由三个增强混凝土圆管构成,外边用钢管保护;锚固系统是斜拉钢索。2002年年底,中科院院长路甬祥在千岛湖考察时了解到千岛湖发现水下古城。次年7月,淳安县相关领导赴北京与中科院专家会晤,在路甬祥的牵线下,中科院力学研究所与淳安县提出了建造阿基米德桥的设想,双方签订了合作意向书。2004年11月,中科院力学所提出建立一座基于实验室工作、技术方案设计的阿基米德原型桥,其设计考虑、参数设定以真桥为标准。目前中国科学院力学研究所与意大利那波里大学、米兰理工大学和阿基米德桥公司合作的“中意阿基米德桥联合实验室”进行技术攻关,实验室阶段的研究工作已经告一段落,理论研究、计算分析,数据测试已经得到一定结果,实验室制造的模拟桥的试验已经通过。2010年10月,首届国际阿基米德桥学术研讨会在千岛湖召开,中外科研人员济济一堂,对千岛湖阿基米德桥原型桥的工程设计和建设方案进行了深入讨论。但据记者了解,目前建造原型桥的经费尚未落实。目前阿基米德桥的建设是一个世界性的难题,目前世界上有7个国家(挪威、意大利、日本、中国、瑞士、巴西、美国)在研究。

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  虽然关于这种悬浮隧道早有设想,但真正建设起来实属不易,其设计与建造向力学工作者提出了巨大挑战——流固耦合、锚固安全、人员逃生等等问题横亘在现实面前。首先是流固耦合问题,水中悬浮隧道在波流载荷、海啸、地震,以及偶发爆炸撞击载荷作用下的动力响应和安全性的评估需要复杂的流固耦合动力学计算。再者,针对锚固方式和锚固结构的安全性,需要进行流固土之间的相互作用方面的研究,锚固系统在水流作用下会发生涡激振动(VIV),对于铆索在海床上的固定强度有很大影响。最使人担心的是一旦发生意外,人的逃生问题十分严重。在这些问题未解决之前,人们是不敢贸然行事的。从工程技术角度看,阿基米德桥的设计与建造遇到很多新问题。例如材料选择、锚固系统的结构形式、桥岸连接形式、服役条件以及动力响应与结构安全。结构安全是最令人担心的事,它包括在地震、海啸、爆炸以及冲击载荷作用下的可靠性问题。另外,由于它在波流载荷作用下,疲劳问题和材料腐蚀失效问题更是棘手问题。总之,海洋工程中遇到的结构问题,这里都有。不过,由于它是交通设施,安全问题更为要紧。

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  技术准备已经相当充分——该隧道是将钢筋混凝土的浮管悬挂在钢制浮舟上构成的。浮管平面线形为一段直径2,682米的圆弧,圆弧中心线的长度为4,083米。

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悬挂浮管的浮舟分布平面图

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浮管平面线型

在垂直线形方面,为了满足船只的通行需求,略有一定弧度,在中心400米宽的通行航道处,浮管位于平均海平面20米以下,与陆地隧道相连接的连接段,浮管位于平均海平面12米以下。陆地部分的隧道以5%的坡度在岩层中抬升,最终进入地表。

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浮管垂直线型

浮管的垂直位置和运动是由浮舟所控制的。根据荷载的不同,浮舟吃水深度会发生改变。浮舟之间的一般距离大约205米。主航道处的浮舟间距为400米,是为了满足船只通行的要求。
与陆地相连接的最后一跨的长度约为500米,是为了使作用于最后两只浮舟的垂直支撑弯矩最小化。与陆地相连的连接段嵌入基岩中,设计方案假设围岩的状况较为稳定。

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浮舟与管道的截面图

浮管之间由大直径(5m)的对角桁架构件相连接,以提高拱形的水平稳定性。两条浮管之间的中心距离约为40米。

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连接浮管的水平对角桁架

浮管的外径为12.6米,内径11米,每条浮管内部容纳两条3.5米的机动车道和两侧分别宽1.25米和2米(可通往下层的一侧)的走道。机动车道的限高是4.8米。每条管道内部均为单向通行。车道板下方空间分隔为3个部分,中间部分灌水压舱,两侧为混凝土压舱,压舱物总的截面积约为10平方米。

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浮管截面图

  施工方案初步成形——浮管总长为4,083米,它将由长度从250米到300米不等的管节组合而成,这些管节将在干坞中施工。

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施工管节的干坞

与陆地相连接的两个管节将先安装就位。其余的管节先在组装区进行组装,然后再拖到预定位置进行安装,并连接到预先安装的管节上。浮管就位后,再进行浮舟的安装。

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管节拖出干坞

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管节拖到安装区域

安装区域设置有 A 字形的系泊具,安装过程中,先将管节固定在系泊具上,然后施工管节之间的连接。

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管节安装过程

每个管节的施工时间估计在8个月左右,管节之间的连接施工每处预计耗时4周左右,加上干坞改造的时间、管节组装和安装、附属工程的施工等,工程总工期预计为7至9年。
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