台湾海峡通道建设构想的发展与研究

■杨思荻 徐 伟

(同济大学建筑工程系，上海 200092）

台湾海峡通道建设构想的发展与研究

■杨思荻 徐 伟

(同济大学建筑工程系，上海 200092）

本文首先介绍了与台湾海峡通道建设相关的地质和地震情况，初步判断台湾海峡的地层及岩性具有较好的工程地质条件。然后分别总结了目前国内外桥梁、隧道、桥隧组合三种结构形式跨海工程的发展情况，它们都为台湾海峡通道的建设提供了宝贵的经验。在此基础上进行台湾海峡通道建设的构想，针对专家学者们初步提出的北、中、南三线方案进行了简单讨论。最后结合国内外已建工程的经验，阐述了各种结构形式台湾海峡通道建设所能获得的技术支持，从技术层面进一步说明了台湾海峡通道建设的可行性。

台湾海峡通道 跨海桥梁 海底隧道 人工岛

0 引言

台湾海峡位于福建省与台湾省之间，是贯通东海与南海的狭长形海域。它地处欧亚、菲律宾海、太平洋三大板块碰撞带欧亚板块的前沿，地壳运动强烈。同时，这里还处于环太平洋地震带，不仅地震频发，而且震级较高。因此，要修建东西向横穿台湾海峡、实现海峡两岸直接陆路交通的台湾海峡通道工程，会遇到很多技术难题。

20世纪以来，建设台湾海峡通道的呼声越来越高，国内外多个跨海工程的成功以及专家们相继开展的多学科探讨与交流，让我们有理由相信克服台湾海峡通道建设的技术难题不只是一个梦想。

1 台湾海峡地质和地震条件

1.1 地质构造条件

台湾海峡基本上是由一些断裂所围限的沉积盆地和沉积物不厚的沿大陆分布的前第三纪基底所组成[1]。它的地质构造为不对称状西北高而东南低的半堑型断陷盆地，其边界上大多为平行海峡的北东向断层，但是盆地南北两端又被北西、东西向断层所切割。因此，台湾海峡通道工程(主要为北西向），将不可避免地穿越这些断层，但选线时应尽量避开顺轴向的断层。

台湾海峡海底地层主要是更新世 “巅科山组”的砂岩、页岩、砾岩以及其上部“大南湾组”的页岩及含砾石红土，粘性较大[2]。由地震反射波的测定可知，海峡水域中海床下岩层的最上部，自上新世底面向上，包括第四纪岩层(已经成岩）在内，厚度至少300m，均呈水平状分布，下部的断层并未穿切至此层，形成了良好的承力层与隔水层[3]。如果进行跨海桥梁工程设计，工程基础可以优先考虑此层；当进行跨海隧道工程选线时，这也为隧道的防水(防止海水下渗）提供了较好的条件。由此，可以初步判断台湾海峡的地层及岩性具有较好的工程地质条件。

1.2 地震情况

台湾海峡发生的地震，多为浅源地震，震源深度只有几十公里，其能量源于板块碰撞向前迁移时的应力[1]。

海峡地区地震活动特点是西强东弱、南强北弱。如海峡西部滨海地区，1604年发生了福建泉州海外7.5级地震，1918年发生了广东南澳7.3级地震。而海峡东部滨海地区，仅有一些中强地震发生。台湾海峡南部地区通常有中强地震活动，偶尔也有强震发生。台湾海峡北部海域，偶有中强地震发生[4]。

2 国内外跨海工程的建设与发展

2.1 跨海桥梁

跨海桥梁是跨越海面，连接海峡、海湾两岸供车辆、行人、管道通过的架空建筑物。世界上较早建成的跨海大桥，比较有名的有麦奈海峡大桥、布坦尼亚大桥等。1826年，麦奈海峡大桥建成，跨越英国的威尔士和安格莱塞岛，将海峡两岸连在了一起。1850年，英国又在麦奈海峡上建成全长460m的布坦尼亚大桥，这是世界上第一座铁路梁桥。进入20世纪30年代，跨海大桥建设进入热潮。众多拥有海峡、海湾、海岛的发达国家和地区，在基本完成了本土交通建设的任务后，开始建设跨海桥梁[5]，如表1所示。

表1 世界典型跨海桥梁

由表1可知，世界典型跨海桥梁大多为悬索桥或斜拉桥，这两种形式的桥梁能够较好地满足大跨度的要求。这些跨海大桥代表着桥梁建设的最高水平，其工程建设难度之大可想而知。建设者们通过不懈努力攻克了诸多技术难题，为今后大型桥梁工程建设留下了宝贵的工程经验与技术支持。如杭州湾跨海大桥工程采用的高桩承台钢吊箱施工技术[6]；青岛海湾大桥工程采用的通航孔桥钢箱梁大节段吊装工艺、海上混凝土套箱无封底技术、循环利用式钢沉井技术等均为国内首创。

2.2 海底隧道

海底隧道是指为了解决横跨海峡、海湾之间的交通，在不妨碍船舶航运的条件下，建造在海底之下供人员及车辆通行的海洋建筑物。20世纪40年代日本在关门海峡成功修建了世界上第一座海底隧道，长3.6km，采用盾构法施工。此后，海底隧道成为世界各国跨海工程建设中一种新的交通方式。目前，全世界已建成海底隧道40多条，主要分布在日本、美国、西欧、中国等地区。

1975年日本在关门又建成了长18.7km的第2座海峡铁路隧道，采用钻爆法施工。1988年日本在津轻海峡建成了迄今为止世界上最长的海底隧道——青函隧道，长54km，海底埋深100m，最大水深140m，采用钻爆法施工。

1994年英法两国建成了英法海底铁路隧道——英吉利海峡隧道，长50.5km，其中海底隧道长37km，最大水深60m，海底最小埋深21m，是世界第2长海底铁路隧道，采用盾构法和TBM硬岩掘进机法施工。

此外，还有1996年建成通车的丹麦大海峡隧道,长度7.9km，最大水深60m，最小埋深66m，采用盾构法施工。1996年建成的日本东京湾海底公路隧道，长度15.1km，是世界上最长的海底公路隧道，采用盾构法施工。

就国内而言，已建成的多条水下隧道中跨海隧道为数尚少。据不完全统计，目前中国有20余条海底隧道，其中已建8条、在建2条、拟建10余条。已建成的8条隧道中，有5条位于香港，1条位于台湾高雄，另外两条分别是厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道[5]。

从建造方法上看，香港已建成的5条隧道均采用沉管法，因为这些隧道长度均很短，最长的也只有2km左右(港九东线隧道）。2010年建成通车的中国大陆第一条海底隧道——厦门翔安海底隧道长6.05km，隧道最深处位于海平面下约70 m，采用钻爆法暗挖方案修建。该工程是完全由中国自主设计、施工的，对中国隧道建设技术的进步和发展，缩小与世界先进水平的差距，具有里程碑式的作用。而2011年建成通车的青岛胶州湾海底隧道长7.8km，是中国自行设计、建造的第二条大型海底隧道，采用钻爆法施工。

2.3 桥隧组合

桥隧组合工程是针对桥梁、隧道工程的优缺点，对于跨海距离较远、工程地质条件、水文条件较复杂的海峡、海湾所采用的一种跨海通道形式[5]。由于这种结构形式可以根据需要，发挥桥梁和隧道各自的优点，有效规避各自的缺点，对于整个工程而言，可以因地制宜，充分利用地形地貌和地势条件，实现分段实施，缩短建设周期，因此这一原理现已大量应用于跨海越河项目中。

世界上第一座桥隧横跨结构位于美国弗吉尼亚的汉普顿公路上。1964年美国建成了切什彼克桥隧系统，全长28km。1997年开放的日本东京湾桥隧工程全长15.1km，由三大段组成：船舶航行较多的川崎侧海底盾构隧道、水深较浅的木更津侧海上桥梁，川崎侧岸边浮岛的引道部分。为了缩短盾构的掘进距离，于隧道段的海上部分中间处筑造了川崎人工岛。

丹麦是桥隧组合工程的代表性国家。1998年完工的丹麦大贝尔特桥隧工程全长17.5km，横穿丹麦大贝尔特海峡，将西兰岛和菲英岛连接在一起，整个工程由东部桥梁、东部海底隧道、西部桥梁三部分组成，分为东、西两段，以斯普奥人工岛作为中间站。2000年完工的厄勒海峡跨海通道是将丹麦与瑞典连接在一起的交通动脉，全长16km，海峡中建造了一座人工岛，靠近丹麦的一段是铁路与公路合用的海底隧道，整个工程由海底隧道、人工岛上公路、桥梁三部分组成。

国内即将建成通车的港珠澳跨海大桥采用了桥隧组合方式，全长55km，建成后将成为世界最长的跨海大桥。工程跨越珠江口伶仃洋海域，以香港为起点，跨越珠江口后分成Y字形，分别连接珠海和澳门。为实现桥隧转换和设置通风井，主体工程隧道两端各设置一个海中人工岛。人工岛和沉管隧道设计施工中解决了一系列世界级的难题，对今后同类工程而言具有十分重要的借鉴意义。

3 台湾海峡通道建设的构想

台湾海峡通道是一项连接台湾海峡东西两侧中国大陆与台湾的重大工程。因此，两岸通道端点的选择，应尽可能靠近交通枢纽，并依托有一定规模的中心城市，使海峡通道能够直接与我国的交通主干网络连接，从而辐射全国，获得巨大的社会效益和经济效益。同时，由于台湾海峡的工程地质条件复杂，选定的通道线路应尽可能避开强震多发区和活动断裂的交会处，并尽可能缩短线路长度，减少工程造价。

广大专家学者们从两岸经济据点分布和跨海长度、水深、工程地质条件等工程适宜性方面进行了综合分析研究，初步提出北线、中线、南线三条线路方案，如图1所示。最短的是北线，起于福建的平潭岛，止于台湾桃园海滨，全长约125km。最长的是南线，即厦门-金门-澎湖-嘉义海滨，跨海总长约207km。中线则从泉州到台湾台中，其优点是可以让两岸的社会效益、经济效益最大化。其中，北线方案由于直线距离最短、造价最低，且历史上从未发生过超过7级的大地震，两端也较接近福州与台北，可最大限度发挥经济辐射作用，所以是目前的首选方案。但是如果单独选择某一条线路会造成台湾地区的南北发展不平衡，据此有专家提出：未来台湾海峡间应该最终形成南、北两大通道共存的格局，北通道应优先实施，并适时建设南通道[7]。

图1 台湾海峡通道三线方案示意图

3.1 北线方案

北线方案的直线距离约125km，是英吉利海峡宽度的3倍，深度不均，最深为-60m。线路西端有可能遇到福建沿海的滨海大断裂，但此处的基岩是质地较好的花岗岩、花岗片麻岩及安山岩。所以只要断层的每年滑移量在工程可以处理的范围内，垂直于断层走向的通道线路条件还是比较理想的，而且断层两壁是花岗岩，工程上容易处理[3]。

北线所经地带，地质条件比较单一，由上文所述，只要保证足够的强度，且避开渗透的砂岩夹层，那么修建隧道是可行的。此外，线路上出现的暗礁较浅地带，如果利用得当，可作为人工岛的基脚，亦可作为出渣口。从地震方面考虑，即使9.16型这样的强震，对平潭-新竹一线以北的影响也并不是那么严重[3]。

3.2 南线方案

南线方案的工程线路长，投资较大，并且工程地质条件相对复杂，澎湖与台湾之间有水深大于120m的海底峡谷，线路东端的地震活动也较强烈，工程技术难度大。但可以先期用较小投资连接厦门与金门、澎湖与台湾本岛，产生经济效益[4]。由于该方案西端即为厦门经济特区，东端靠近高雄，并将厦门-金门-澎湖-台湾连接起来，在联通大陆与台湾的同时，将大大促进金门、澎湖等岛屿的开发。

4 台湾海峡通道建设的技术支持

在通道形式选择上，专家学者们的意见并不统一。从目前国内外海峡通道的建设形式看，主要有桥梁、隧道和桥隧组合三种形式，其中选择桥隧组合时多采用人工岛进行过渡。不论选择哪种通道形式，国内外众多已建工程的成功，都为台湾海峡通道建设提供了宝贵的经验与技术支持。

4.1 跨海桥梁技术支持

桥梁方案的主要优点是可以直接连通两岸的铁路和公路网，且便捷、快速、通过量大、运营费用低；主要缺点是桥梁对通航有一定的影响，且施工受水深的影响较大，运营期间受大风、大雾等气象条件影响也较大。跨海桥梁由于常常位于大陆板块和海洋板块交界区的地震带上，可能面临地震与海洋台风的袭击，同时其跨越的地理空间相距较远，规模一般较大，绝大多数主跨都在千米以上，所以其基础多为深水基础型式，而引桥多采用梁式桥，主桥多采用大跨径或多跨连续的斜拉桥、悬索桥或两者的组合形式。目前主要的技术难点是深水基础的结构型式和施工技术。大型桥梁深水基础的施工技术水平是保证整座桥梁工期和施工质量的关键，其主要类型包括以下几种[8]。

1）管柱基础

管柱基础是由钢筋混凝土、预应力混凝土或钢管柱群和钢筋混凝土承台组成的基础结构。管柱埋入土层一定深度，柱底尽可能落在坚实土层或锚固于岩层中，其顶部的钢筋混凝土承台，支托桥墩(台）及上部结构。作用在承台的全部荷载，通过管柱传递到深层的密实土或岩层上。1957年建成通车的武汉长江大桥首创管桩基础和管柱钻孔施工方法。目前管柱在基础中多为铅直状，但也有少数斜管柱基础，由于其施工难度大，故很少采用。

2）沉井基础

沉井基础是以沉井作为基础结构，将上部荷载传至地基的一种深基础。沉井是一个无底无盖的井筒，在沉井内挖土使其下沉，达到设计标高后，进行混凝土封底、填心、修建顶盖，以构成沉井基础。1968年建成通车的南京长江大桥应用了沉井技术。沉井基础埋深较大，整体性、稳定性较好，具有较大的承载面积，能承受较大的垂直和水平荷载。同时，它能够作为施工时的挡土、挡水围堰结构物，可做成补偿性基础，避免过大沉降。但沉井基础施工工期较长，对粉砂、细砂类土在井内抽水时易发生流砂现象，造成沉井倾斜。如果沉井下沉过程中遇到大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，将会给施工带来一定的困难。

3）钻孔桩基础

深水基础采用钢板桩围堰施工，并搭设钢管桩作业平台进行钻孔灌注桩施工。1988年建成通车的九江大桥创造了双壁钢围堰钻孔桩基础。当需要跨冲刷深度大、河床多为漂卵石透水层、基岩埋藏较深的河流，而无法采用预制桩、管桩、沉井等方法时，可以选用钻孔桩基础。

4）复合基础

复合基础是把桩、管柱与沉井或其它围堰组合的一种深水基础。比如当遇到水深很深、覆盖层很厚、地质条件复杂的工程，如果受施工能力的限制，无法将单一型式的基础下沉到预期深度，可以采用气压沉箱作平底结构、其上施工桩基础，以接力的方法修筑桥梁深水基础。国内很多工程都对复合基础进行了相关的研究和发展。

近年来，深水基础技术发展很快，地下连续墙、设置沉井和无人沉箱技术都比较突出，杭州湾跨海大桥与青岛海湾大桥等一系列特大型跨海桥梁的修建，使我国在深水基础的设计与施工技术方面有了进一步的提高。

4.2 跨海隧道技术支持

隧道方案的主要优点是通过量大，对通航没有影响，不影响生态环境，施工受水深的影响较小，运营期间受大风、大雾等气象条件影响较小；主要缺点是工程技术难度大，诸如地质勘测、长距离通风、防渗和防灾等问题都非常突出，且建设周期长、耗资巨大，建成后运营费用高。现今世界上海底隧道施工方法主要有钻爆法、沉管法、盾构法、掘进机(TBM）法[9]。

1）钻爆法

钻爆法是通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法。钻爆法具有以下特点：实现隧道施工机械化；施工工法灵活多变；配套灵活多变的辅助工法，适应各类地质条件。

2）沉管法

沉管法是预制管段沉放法的简称，将若干个预制段分别浮运到海面或河面现场，并一个接一个地沉放安装在已疏浚好的基槽内，再用水力压接法将相邻管段连接，以此方法修建的水下隧道就是沉管隧道。沉管法是20世纪初发展起来的，该法具有以下特点：埋深浅，便于与陆地接线；工期短，对交通干扰小；适应各类地质层，断面尺寸选择自由度大。

3）盾构法

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它使盾构机械在土中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，同步拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。盾构法的主要特点：适合于穿越软弱围岩，大直径盾构机在饱和地层中推进施工更有优势；施工机械化、自动化程度高，掘进速度快，施工工期短，劳动强度低；在盾构设备掩护下，掘进与衬砌作业安全可靠；有利于地表建(构）筑物的保护。

4）掘进机(TBM）法

掘进机法是用特制的大型切削设备，将岩石剪切挤压破碎，然后通过配套的运输设备将碎石运出的一种方法。其施工的主要特点：掘进效率高、速度快、成型好；双护盾TBM法自动化程度高，可实现凿岩、出碴、运输、衬砌多工序联合作业；护盾TBM施工安全易保证；双护盾TBM施工质量易控制。

有专家指出，由施工通风及保证合理工期2个主要因素决定，台湾海峡隧道的主体隧道必须采用掘进机(TBM）法施工，钻爆法只适用于准备洞室及辅助洞室施工。因为掘进机(TBM）施工以电为动力，施工通风条件较易得到满足。同时由于连续均衡施工，施工进度显著高于钻爆法施工。从目前可了解的地质条件看，台湾海峡隧道穿过的地层主要为巨厚的第三和第四系沉积岩，是适合掘进机施工的地层[10]。

台湾海峡隧道无论采用哪种施工方法，都有较多成功工程案例可以借鉴，可以相信随着隧道施工技术的不断发展，台湾海峡隧道工程建设的可行性也将不断提高。

4.3 人工岛技术支持

由于台湾海峡两岸最短距离也有一百多公里，可以考虑在海峡适当位置构筑人工岛。通过人工岛增加工作面，可使工程工期得到有效控制，运营通风条件也大大改善。从地形、地质条件看，隧道最短选线所在的海峡西北部一般水深40～60m，有构筑人工岛的条件[10]。

在采用桥隧组合方案的港珠澳大桥工程中，隧道出口与桥梁相接处修建了东、西人工岛进行衔接。人工岛的施工采用大直径钢圆筒和钢副格相结合的快速成岛综合施工技术。利用液压振动锤联动振沉系统将大直径钢圆筒插入海底不透水土层形成人工岛体外轮廓，然后在钢圆筒及钢圆筒构成的岛体内吹填砂土形成人工岛，岛壁外设抛石斜坡堤，并运用降水联合堆载预压、水上挤密砂桩等工艺对岛体内外的软土层进行地基处理，最终形成稳定的岛体结构。它的成功修建可以为台湾海峡人工岛的建设提供很好的借鉴作用。

目前我国的人工岛建造能力居于世界领先地位，一个个成功的案例说明我国已经掌握了有效处理地基并迅速在其上构筑建筑的成套技术。在台湾海峡通道中进行人工岛的构筑能够解决很多难点问题，是一个值得思考的方向。

5 结语

数百年来，台湾海峡阻隔了祖国大陆与宝岛台湾的陆路联系，两岸人民的交通往来只能依靠水运和空运。但是水运速度较慢，空运费用较高、载重量受限制，且两种交通方式都受天气状况影响严重，使两岸人民饱受交通不便之苦。此外，从某种意上来说，经济发展的水平与通道建设有着密切的关系，台湾海峡通道工程作为区域间交流与沟通的纽带，其建设也会引发新一轮投资建设热潮，对两岸经济起到巨大的拉动作用。同时，该工程是目前世界上线路最长、问题最复杂、施工难度最大的跨海工程。经过两岸同胞和国内外学者近20年来的反复研讨构思，台湾海峡通道的方案日趋完善，克服建设可能存在难点的技术也日益增多。它的研究和建设将带动土木工程领域众多世界级工程技术难题的攻关，从而提高我国在相关工程中的技术水平，这在学术领域具有十分重大的意义。我们期待着台湾海峡通道工程这个中华民族伟大构想实现的那一天早日到来。

[1]戚筱俊.台湾海峡地形、地质及地震概述[J].西部探矿工程，1999，11(4）：4-6.

[2]戚筱俊.台湾海峡通道工程可能存在的工程地质问题探讨[J].西部探矿工程，1999，11(6）：4-9.

[3]彭阜南，叶银灿，施斌，等.台湾海峡隧道地质与地震条件分析[J].高校地质学报，2001，7(2）：175-188.

[4]叶银灿，潘国富，彭阜南，等.台湾海峡隧道工程的若干工程地质问题与选线方案探讨[J].海洋科学，2002，26(6）：58-62.

[5]刘良忠，柳新华.国内外跨海通道的比较及启示[J].科技导报，2016，34(21）：16-26.

[6]王兴珍，陈伟.杭州湾跨海大桥高桩承台钢吊箱设计与施工[J].石家庄铁道学院学报，2005，18(S1）：14-18+24.

[7]王毅.台湾海峡跨海工程初步设想[J].铁道工程学报，2010，(8）：17-20.

[8]韦清江，刘根.大型桥梁深水基础类型及其特点[J].四川建筑，2008，28(5）：71-74.

[9]林作雷.对台湾海峡隧道建设方案的思考[J].福建建筑，2009，(3）：134-140.

[10]张克强，赵阿丽，杨浩.对台湾海峡隧道通行方式与施工方案的探讨[J].隧道建设，2013，33(10）：815-819.