超级工程设计：阿基米德桥，疯狂的水下悬浮隧道

　　挪威以动人心魄的壮丽海湾闻名，1190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。

　　

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。据了解，目前建造千岛湖阿基米德桥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。

　　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。

　　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。

　　

　　悬挂浮管的浮舟分布平面图

　　

　　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。

　　

　　Bonus Time

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　管节拖出干坞

　　

　　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。

　　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。