水下悬浮隧道的构想

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水下悬浮隧道的构想，设想在台湾海峡建设-座水下悬浮隧道，本文进行技术设计，方案论证，材料选择等内容
水下悬浮隧道的构想
（排名不分先后）
陈钊 黄奋 吉云舟 刘桐旭 许本春 许熹 王志全 张凡
（东南大学土木工程学院，江苏南京，211189）
摘要：论述了海底隧道的两种形式及其所用的到的技术与材料，再提出了水下悬浮隧道的构想以及在台湾海峡中建设水下悬浮隧道的想法，然后分析了海洋隧道的环境对材料的要求，着重论述了海工混凝土中海洋环境对隧道的腐蚀破坏的情况和特征（盐类腐蚀、融冻循环、碳化），破坏类型及其原因，最后根据混凝土耐久性的要求，并结合台湾海峡的具体情况较为具体的分析和设计了水下隧道的尺寸和样式以及施工所要考虑的因素
关键词：海底隧道、水下悬浮隧道，阿基米德桥，海工混凝土
The conception of submerged floating tunnel
（In no particular order）
ChenZhao HuangFen JiYunZhou LiuTongXu XuBenChun XuXi WangZhiQuan ZhangFan
（southeast university civil engineering ，Jiangsu Nanjing，211189）

Abstract：we discuss two types of the construction of the undersea tunnel，and their use of technics and construction materials.then put forward the idea of building a submerged floating tunnel in the Taiwan Strait.then we introduce the requirements of the materials in the submerged floating tunnel.Next we analyze the influence and the characteristic of the corrosion in the tunnel which caused by marine environment in detail(such as sulfate attack， freezing and thawing cycle，carbonation)，and the cause of the breaking.at last we consider the specific circumstances of the Taiwan Strait and design the size and shape of the tunnel according to the requirements of the durability of concrete
Keywords::undersea tunnel，submerged floating tunnel ， archimedes bridge，marine concrete

水下隧道与桥梁已经成为人类跨越江河湖海的两大途径。选择桥梁还是选择水下隧道，主要 应依据航运、水文、地质、生态环境以及工程成本等具体建设条件进行全面的比较、论证而定。经论证，水下隧道与桥梁相比有以下优势：
(1) 具有很强的抵抗战争破坏、自然灾害（如地震)和突发事件的能力。
(2) 能避免噪声尘土对周围环境的影响，在建设时能做到不拆迁或少拆迁，占地少，有利于环境的保护。
(3) 不受天气和气候变化的影响，有稳定畅通的通行能力。
(4) 具有很强的承载能力，-般无通行车辆载重限制。
(5) 结构耐久性好，可以做到百年-遇工程，且结构维护保养费用-般比桥梁低很多。
(7) 设计可以做到-洞多用，可以把城市供水、供电、供气和通讯等设施安排在比较安全稳定的环境中。
(8) 易于和两端交通接线，形成路网。在市区修建过江、过海隧道时这-点更为明显。
近20年来，国外有优先考虑采用水下隧道作为跨越江河湖海方式的趋势。随着中国经济的高速发展、隧道修建技术的日臻完善以及人们环保意识的不断增强，水下隧道也逐渐被国人所接受，并付诸建设。[1]
1、海底隧道的建设
目前海底隧道的建设大约有两种方式：
第-种是在海底的岩层中开挖的，如英吉利海峡的长隧道，就是使用先进的盾构机打通的。
英吉利海峡隧道(The Channel Tunnel)又称英法海底隧道或欧洲隧道(Eurotunnel)，是-条把英国英伦三岛连接往欧洲法国的铁路隧道，于1994年5月6日开通。它由三条长51km的平行隧洞组成，总长度153km，其中海底段的隧洞长度为3×38km，是目前世界上最长的海底隧道。
隧道的施工采用盾构法，由于隧道施工过程中承受较大水压力、土压力，盾构施工需克服高水压，所以对盾构机的要求较高。所以工程采用了先进的隧道掘进机，分别沿三条隧洞的两个方向开挖，共有12个开挖面。 [2]
第二种是用预制的大型钢管或混凝土方箱，沉入海底预先处理好的基础之上，在外部用混凝土封上接头处，将内部海水抽干。然后在内部做好加固衬里，就成为隧道。香港的海峡隧道就是这样的。
香港西区海底隧道，是香港第3条过海行车隧道，是全港首条三线双程行车的过海隧道和全港最大的海底隧道。隧道全长2公里，连接香港岛的西营盘干诺道西和九龙佐敦附近的西九龙填海区，是香港第1条三线双程分隔沉管式隧道，其中沉管箱涵段直线西南至东北走向，全长1363m，由12座大型钢筋混凝土沉管箱涵组成，每座箱涵不计两端橡胶密封垫和顶面附加防水层和混凝土保护层，主结构尺度长宽高为113m33.5m8.5m。钢筋混凝土结构自重30200t。[3]
2、水中悬浮隧道构想
现在有-种新的海底隧道构想，只是-种系浮在海水中间的隧道，是利用浮力悬在深海之中，还有很多技术问题没有得到解决。
我们构想的就是这样-种水中悬浮隧道，与现在的海底隧道不同，这种水下悬浮隧道能借助浮力浮于水中，对于浮力大于重力的水下悬浮隧道，它和水底的连接方式与桥相反--用缆索或其他方式固定于水底和两岸，以防浮出水面。通过水浮力和锚固力的作用达到平衡使隧道悬浮在适当水深位置。
这种构想已有人提出，被称为悬浮隧道，英语为 Submerged Floating Tunnel ，简称SFT”，在意大利又称阿基米德桥”，是-种新的跨越海峡、大江湖泊、水道的交通结构物。
阿基米德桥相对于桥梁和隧道依然有他的优势：阿基米德桥是-种环境友好的方案，相比传统工程学的固定隧道，它拥有无须顾忌长度的良好结构性能，不会使大气受到伤害，可有效对抗地震，并且对两岸地貌的影响非常小；由于借助了自然的力量浮力，-旦技术成熟，阿基米德桥同桥梁、隧道相比具有造价优势，因为其单位长度的造价不随跨度的增加而增加；技术上阿基米德桥不受跨度和水深的限制，可建在长跨度、水位深、陡峭的地方。[4]

3、水中悬浮隧道所用材料分析
3.1隧道外环境
3.1.1隧道外环境分析
考虑到安全、环保、经济等各个因素，阿基米德桥主要还是采用钢筋混凝土结构。要建造这样-座桥，则其所处的环境对材料的选择不容忽视。
台湾海峡盐度较大，含氧量在4～9毫米/升之间波动，水温较高，盐度和透明度也较大。年平均表层水温17～23℃，1～3月水温最低，平均12～22℃；7月最高，平均26～29℃。[5]
海洋环境-般划分为大气区、浪溅区、潮汐区和水下区[6]（表）。
海洋环境 影响因素 破坏方式
大气区 海风和海雾 碳化作用、Cl-侵蚀
浪溅区 海浪 干湿交替、碳化作用、
Cl-侵蚀、机械磨损

潮汐区
潮汐 盐类的侵蚀、结晶膨胀、
冻融循环、干湿交替、
Cl-侵蚀
水下区 海水盐成分 盐类侵蚀、碳化作用、
Cl-侵蚀

我们的悬浮隧道主要位于台湾海峡水下区，水下区主要指低潮水位之下的区域。在该区域，-般认为[7]，海水水下是-个温度和湿度都比较稳定的环境，没有冻融和干湿交替引起的体积变化，也没有-面浸湿-面干燥引起盐类结晶的压力[8]。水下缺氧，氧含量和碳含量相对较低，可溶性盐含量比较高，大约3.5%左右，主要是硫酸盐、氯盐和镁盐，所以理论上不引起钢筋锈蚀和碳化作用，主要受海水的化学侵蚀作用。但是在部分地区和时间里，含氧量会比较高；并且在海洋中生活着大量的动植物和微生物，在水下环境中建造建筑物，海洋植物就有可能依附在建筑物上生存，产生大量的氧气；有了植物，海洋动物和微生物也会生存与建筑物附近，这样又带来了CO2。因此建造水下的阿基米德桥，对其材料又不得不考虑钢筋锈蚀和碳化作用影响，而且它们的侵蚀影响也将非常的严重。
3.1.2混凝土的腐蚀
1、溶出性腐蚀
在通常情况下，与水泥石水解产物的溶解和迁移有关的溶出性腐蚀，似乎不可能发生在海水中的混凝土结构上，因为海水中所含的盐类首先会引起其他类型的腐蚀。但是，由于水泥石与海水的互相作用，同混凝土接触的海水，特别是渗入混凝土内部的海水，其成分发生了剧烈变化。在表层中的Mg2和CO32-呈结合状态，从过饱和溶液中沉淀出来的大量CaSO4.2H2O，也在发生交换反应的地方积聚。渗入混凝土深部的海水含有大量的NaCI，以及-些CaCl2、CaSO4和少量未直接参加反应的其他盐类，这种成分的海水能够溶解水泥的大多数组分，亦即已经形成了发生溶出性腐蚀过程的条件。然而，只要海水不渗入混凝土，溶出性腐蚀就不可能发生。只有当单面压头造成海水的渗透时，溶出性腐蚀的潜在可能性才成为破坏混凝土的因素。
另外，在海水中的混凝土，其表面上存在着大量的丁酸细菌[9]，当这些丁酸细菌不能为其它种类的细菌所平衡时，就能迅速破坏水泥石。但在大多数情况下，混凝土表面上的大量细菌能互相保持平衡，即-种细菌的生命活动排泄物能被其它几种细菌所利用。天然条件下的海水在细菌生物区与混凝土相接触时，呈弱碱性反应(pH8.38.4)，而不是酸性反应在个别情况下，当海水的条件有利于生物繁殖(细菌类)，或有利于植物(藻类)的生长，并且两种情况不相混合时，海水的性质会有利于混凝土的腐蚀[10]。