武汉地区城市地下物流系统可行性研究中几个问题初探与趋势展望

屈川翔， 熊志为， 冯 鑫， 马保松

(中国地质大学(武汉)工程学院， 湖北 武汉 430074)

0 引言

近年来，交通拥堵、交通安全隐患、环境污染等问题日益突出，为改善城市物流系统与城市环境的融合度，解决城市交通问题，对现有的城市物流系统进行创新,发展地下物流系统(ULS，underground logistics system)是追求智能生活与环境友好型社会的必经之路。

大量学者对ULS的可行性和技术进行研究。在技术研究方面上主要以PCP(pneumatic capsule pipeline)和Cargocap的研究为主。PCP研究主要以美国H. Liu为代表，主要集中在介绍PCP概念、动力系统以及实证研究3方面[1]； Cargocap以德国的Stein为代表。此外，还有荷兰的AGV(automated guided vehicle)研究、日本的DMT(dual mode truck)研究和英国的Mole Urban System等。在可行性研究方面上，专家们主要针对城市地区的运载工具、布局、经济性和应用的领域等进行可行性分析和构思，文献[2]提出在中国实施城市地下物流的设想，并从交通、经济、环境生态和城市可持续发展等角度论证中国对地下物流系统的巨大需求； 文献[3-4]指出中国特大城市严峻的交通状况，分析北京发展地下物流的必要性，提出地下物流应用的领域，认为交通压力、城市严峻的空间资源、能源和环境容量约束是发展地下集装箱运输的动因和研究趋势； 文献[5]从运载工具、通道截面设计和挖掘技术等角度研究了东京地下配送系统的可行性； 文献[6-8]研究了美国、比利时、澳大利亚等国家的部分地区港口及海湾采用地下集装箱运输的可能性。综上，无论是从技术性还是可行性研究方面，针对ULS多从单一角度进行研究，从多角度出发进行的研究不足。

针对目前研究工作的不足，本文聚焦于武汉地区，突破前有研究的单一性，充分考虑各方面影响因素的相关性，从城市地下物流系统最新理念出发，通过分析城市交通与货运问题的矛盾所在，进行投资成本分析，提出适合武汉地区的融资方案和地下物流系统配送中心布置方法； 依托武汉地区拟开展的地下物流系统规划和设计项目，提出其地下物流管径及施工选择方法，并对武汉地区地下物流系统可行性研究中的几个问题进行探讨和趋势展望。

1 城市地下物流系统理念

地下物流系统是指运用自动导向车和两用卡车等承载工具，通过大直径地下管道、隧道等运输通路，对固体货物实行运输及分拣配送的一种全新概念物流系统[9]。

拟建的城市地下物流系统的网络体系，将客户、互联网零售企业、配送中心等多方通过互联网连接在一起，实现客户网上下单，货物经城市物流中心分拣，最后通过智能化的地下管道物流配送系统进行“一对一”高效配送。

当城市物流系统发展到高度智能化时，便能够实现城市地下物流系统的“自来水”式便捷功能，使每个城市居民通过网络购物，足不出户便可收到自己所购的货物，享受高效、智能、环境友好的物流新体验。

2 城市货运问题

近年来，武汉地区政府及交通管理部门高度重视城市交通改善和管理工作,意识到只有采取科学的管理方法，才能有效解决武汉市区的交通问题。武汉境内“两江交汇、三镇鼎立、山水相间、江湖密布”，由于这样独特的地理特点，也较大程度地增加了交通管理的难度。加之近年来武汉地区城市用地日益紧张，机动车保有数量一直高位增长, 公路运输的货运量[10]在各类运输方式的占比日益提高(见图1)，使武汉地区交通拥堵问题日益严重。另一方面，武汉地区的快递行业、企业到企业(B2B)的货物运输、国际贸易物流等迅猛发展，在城市交通运输中的占比逐渐加大。

图1 2011—2016年武汉地区各类运输方式货运量变化

Fig. 1 Variation of freight volumes of various modes of transport in Wuhan area from 2011 to 2016

本文选取了武汉地区2014—2017年共4年间的货运量(Y)、 GDP(X1)、第一产业产值(X2)、第二产业产值(X3)、第三产业产值(X4)、进出口总额(X5)、居民消费水平(X6)以及社会消费品零售总额(X7)等相关经济变量数据[10-13]进行物流总需求分析，如表1所示。

利用Eviews软件建立了物流需求的多元线性回归模型，即Y=32 541.15+14.122 56X1+0.121 181X5-4.267 2X6。其中，GDP对货运量的正向影响最大，进出口总额对货运量有较轻微的正向影响，居民消费水平对货运量有较大的负向影响。2016年进出口总额比上年下降10.2%，进出口总额指标较大程度的下降，影响了进出口总额指标对物流的需求的正向影响，从经济学角度分析，进出口贸易总额的增加，对物流需求的正向影响应该是较大的。因此，武汉地区物流行业的整体规划和建设需要结合物流需求特点，提升年均生产总值，并提升进出口总额，以削弱由居民消费水平提升对物流需求造成的负向影响，从而带动武汉市物流需求的增长，促进武汉市物流行业的正向发展[14]。加之，在武汉城市经济转型的背景下，第三产业的大力发展离不开高效物流系统的支撑，高效的物流系统势必成为第三产业在武汉地区经济中增长的“快速通道”。与地下物流系统运输的特性相似，由于快递运输的“高效便捷”，使得其在公路、铁路、水路和航空等各类运输方式中突出发展，武汉地区近几年的快递业务统计量[10-13,15]如图2所示。

表1 武汉地区经济变量统计数据

图2 2013—2017年武汉地区快递业务量增长图

Fig. 2 Growth of delivery volume in Wuhan area from 2013 to 2017

此外，目前的物流企业环境友好意识淡薄，运营站点布局不够合理，管理方式不够精细，使得配送和运输效率不高，增加了能耗和排放，且废气、噪音、交通安全隐患的问题同样不可忽视。为改善城市生态环境，城市物流形成的与城市环境不友好、高能耗、低效率、交通安全隐患突出等问题亟需解决。

根据国内外研究估计，并结合武汉地区轨道交通客流占比35%左右的情况，采用专家预测法，通过ULS与地面物流系统的连接，在武汉地区修建地下物流系统将承担整个武汉地区40%左右的货运量[16]。

3 投资成本分析

3.1 车辆参数及覆盖率分析

通过分析美国与德国的地下物流载重情况，计算得到运输车辆单位体积载重为400～800 kg/m3，且车辆体积越大，单位体积载重越小。结合美国和德国的设计参数、城市物流货物尺寸以及货车参数[17]，确定不同管径与车辆的对应情况，如表2所示。

表2 不同管径对应的车辆参数

3.2 不同直径管道铺设成本分析

目前，美国的城市地下物流系统有Container Size、Crate Size和Pallet Size 3种类型，分别对应集装箱、板条箱、托盘的运输。参考美国3种不同直径的管道建设造价[18]，对不同直径管道的铺设成本进行分析，如表3所示。

表3美国地下物流管道铺设造价

Table 3 Construction cost of underground logistics pipeline in America

类型内径/mm造价/(美元/m)集装箱6 70025 177板条箱4 57016 213托盘 3 35011 634

不同直径钢筋混凝土顶管成本[19]如表4所示。

表4不同管径钢筋混凝土顶管工程综合造价

Table 4 Comprehensive cost of reinforced concrete pipe jacking project with different pipe diameters

顶管尺寸/(mm×mm×mm)顶管材料单价/(元/m)工程综合造价/(元/m)ϕ2 000×200×2 5003 5737 926ϕ2 200×220×2 5003 9468 801ϕ2 400×240×2 5005 53310 969ϕ2 700×250×2 5007 71315 107ϕ3 000×300×2 50014 11523 494ϕ3 200×300×2 50019 20529 668

综合分析相关工程案例及2008年版《湖北省市政工程消耗量定额及统一基价表》，确定不同直径管道铺设成本，如表5所示。

表5 不同管径管道铺设成本

3.3 不同管径货物覆盖率与成本对应分析

货物覆盖率是指车辆尺寸大于货物尺寸时的覆盖占比。为了优选出既适合城市货物运输又经济的管道直径，结合GB/T 16471—2008《运输包装件尺寸与质量界限》[20]，对不同内径管道的货物覆盖率与成本进行对应分析，结果如图3所示。

由图3可知： 对于单线管道设计而言，管道内径为2 800～3 500 mm时经济性较好。管道内径为2 800 mm时，货物覆盖率可达90%，可基本满足城市货运要求，且建设成本较低，为最优选择。

4 融资方案的可行性分析

从经济学角度分析，城市地下物流系统被定义为准公共产品，即城市地下物流系统具有准公共产品的基本特征。

据国内外研究和新福利经济学表明，城市地下物流系统能够提高经济效率，从而带来城市的社会经济福利,其社会效益给人们提升的幸福指数是经济效应在收益上无法衡量的。从城市长远发展角度来讲，城市地下物流系统也展现出巨大的经济增值潜能。

图3 货物覆盖率与成本对应分析图

随着全球化、电子商务、人民需求的多元化等的发展，物流行业收入稳步增长，前景十分乐观。近年来，武汉地区物流行业发展总体向好，据武汉市统计局统计： 2017年武汉市社会物流总额为33 225.32亿元，比上年增长10.5%； 2017年武汉市社会物流总费用为1 891.73亿元，比上年增长12.3%； 2017年武汉市物流业增加值为1 208.96亿元，比上年增长9.7%(按不变价计算增长9.1%)； 2017年武汉市物流业增加值占GDP的比率为9.02%，比上年下降0.24%[10]。武汉市社会物流业广阔的发展前景成为投资者投资的强力保障。

武汉地铁多条线路都已采用融资租赁模式进行融资，该模式成为武汉地铁资金融合过程中不可或缺的一部分。与地铁特性类似，地下物流系统作为准公共产品，也需要投入运载工具、轨道和各类运营系统等固定资产，这些固定资产的一次性费用十分高昂，可以通过租赁的方式实现融资，这样的融资方式出资速率快，融资渠道便捷，限制条件较少，具有明显的融资优点[21]。融资租赁模式在我国地铁建设中已得到广泛应用，对于地下管道物流系统的建设具有指导意义。

武汉市融资多元化的发展和大型工程的推进，会为武汉市市政基础建设建立更加可靠的融资基础。针对实际条件，优化融资方式，是开展城市地下物流系统建设的关键之一。

5 地下物流系统配送中心布置

5.1 SLP方法简介

SLP方法是由Richard Muther提出的设施布置的经典方法[22]。运用SLP法进行地下物流系统配送中心的平面布置时，首先要分析各系统之间的关联性，综合各系统之间的关系得到关系矩阵； 然后按照关系矩阵中各系统的关联程度，设置各系统之间的位置及距离，编绘出对应的位置关系图，并将各系统所需数量、占地面积与位置关系图结合起来，形成系统单位面积关联图； 接着根据系统布设时的实际情况进行修正和调整，得到平面布置方案； 最后综合考虑平面布置方案的可行性、难易度以及经济性等因素对所得到的平面布置方案进行选择，得到最优的方案。

5.2 武汉地区地下物流系统配送中心功能设置

城市地下物流系统的配送中心主要具有对货物进行接收、储存、处理、配送等功能。根据SLP法，应对配送中心的各系统的关联性进行分析，突出其与传统地面物流系统的配送中心相比所具有的自动化、智能化、高效率等特点[23]。据此，将黄欧龙等[23]所做的配送中心功能图进行改进，如图4所示。

图4 配送中心功能设置

5.3 内在分析

按照SLP方法，可以将各系统单位之间的密切程度分为关联十分紧密(A)、关联比较紧密(E)、关联紧密(I)、关联一般(O)和无关联(U)5类。据此按照各单位之间的关联程度，对配送中心进行初步配置，结果如表6所示。

由表6可以得出： 部门1是配送中心中与所有部门联系都较为紧密的部门，具有5个E关系，但由于部门1为控制管理部门，因而在布置时较为灵活，可放在最后考虑； 部门2具有3个A关系、1个E关系，应首先对其进行布置； 最后考虑与部门2关联紧密的4、5、6部门，部门3的关联程度最弱，所以应结合部门1进行考虑，因此，总的布置顺序可设置为2—4—5—6—3—1。

再按照配送中心一般的平面布置情况，各部门的面积应具有相对应的比例关系。若将部门3作为单位面积，各部门的相应单位面积如表7所示。

表6配送中心各系统的关联程度

Table 6 Relational degree among each system of distribution center

项目1—控制管理处2—仓库3—废品处理处4—拣货标记处5—自动导向车装卸处6—卡车装卸处1—控制管理处EEEEE2—仓库EOAAA3—废品处理处EOIUU4—拣货标记处EAIII5—自动导向车装卸处EAUIU6—卡车装卸处EAUIU

表7 各部门面积关系

注： 1—控制管理处； 2—仓库； 3—废品处理处； 4—拣货标记处； 5—自动导向车装卸处； 6—卡车装卸处。下同。

根据上述各部门的面积关系和布置顺序，可以得出平面布置方案，如图5所示。

31244656512156454121

图5平面布置方案

Fig. 5 Plan layout scheme

再根据建设过程的空间和物流工艺的要求，结合相应的工程背景，以武昌区为例得出总平布局图[24]，如图6所示。

图6 武昌区总平布局图

在总平布局中，将物流中心、配送中心、目的地和仓库通过网络结构连接起来。物流中心建在武昌火车站和武汉宏基客运站之间，便于货物的运输和接收； 配送中心选址在光谷商圈和街道口商圈，便于接送货物； 目的地选择在人口密度较大的地方，仓库建造在成本较低的地区，从而使地下物流系统高效协调运转，便于调整物流量，方便扩展延伸。

此外，可根据武昌区地下物流总平布局图示，计算图示范围内的物流中心占地面积A，即A=46 850+20 079(N-1)[17],N表示配送中心和仓库数量。计算图示范围内的物流中心占地面积约为87 008 m2，所以可仿照目前地下车库的建造形式，将物流中心在地下建造2～3层，方便货物接收和运输。根据上述分析也可对配送中心和仓库的占地面积进行估算，配送中心的占地面积约为58 005 m2，仓库的占地面积约为29 003 m2，同样仿照地下车库的建造形式，在地下建造2～3层。

6 地下物流系统管径及施工方法选择

6.1 管径范围

针对武汉地区地下管道管径的设计，目前多参照德国、美国两国的地下物流系统管道管径参数。由于目前武汉地区地上道路货物运输的类型一般为日常生活用品、电子产品、书籍、衣物、农副产品及生活垃圾等，生活中常见的大尺寸货物主要为家具、家电等，其中沙发、床的长度尺寸较大，一般超过了2 m。而德国Cargocap系统的管径约为2 m，所以不适合大尺寸的货物运输，且目前国内对地下物流系统管道管径参数没有制定统一的标准，所以武汉地区主要参考GB/T 16471—2008《运输包装件尺寸与质量界限》和美国地下物流系统的货运参数[17]进行地下物流管径设计，如表8所示。

考虑到地下物流系统在运输中应该具有高效、经济、快速等特点，由于集装箱型的地下载运工具可容纳的货物尺寸大、总载荷量大、装卸时间短，所以更适合城市货物的运输。因此，对于武汉地区地下物流系统而言，应选择集装箱型的地下物流载运工具。

根据上述分析，考虑到一些管道、站台的布置以及经济性等因素的影响，并依据GB/T 16471—2008《运输包装件尺寸与质量界限》中对集装箱尺寸的要求，得出集装箱最小内部尺寸和箱门开口尺寸，如表9所示。双线管道与单线管道相比具有施工性好和冗余性等优点，所以拟对武汉地区地下物流系统采取双线管道设计。对于双线管道，管道内径为5.6～7.0 m时经济性最好。因此设计的管道内径约为6.7 m，管道外径约为7.62 m，其效果图如图7所示[25]。

6.2 施工方法选择及管道布置

6.2.1 武汉地区地质条件

6.2.1.1 工程地质条件

武汉地区地表上覆大量的第四系沉积层，达80%以上。因此，武汉地区的工程地质特征主要表现为第四系地层的工程地质特征[26]。

武汉地区第四系地层从老到新有下更新统半边山组、中更新统王家湾组、上更新统凤凰山组与青山组以及全新统走马岭组。由于这些地层形成的年代、成因、分布范围不同，所以使得武汉地区具有不同的地形地貌、地层岩性以及工程地质特征[27]。

表8 美国地下物流载运工具

表9集装箱最小内部尺寸和箱门开口尺寸

Table 9 Minimum internal size of container and opening size of box door

mm

图7 武汉地区标准集装箱的双轨制管道示意图(单位： m)

Fig. 7 Sketch of dual-track pipeline of standard container in Wuhan area (unit： m)

武汉地区第四系地层的粉细沙、粉土、粉质黏土、淤泥质土、淤泥主要分布在全新统地层中，这些土体的压缩系数、黏聚力、内摩擦角以及容许承载力等力学特征指标数值变化范围较大，对施工的影响较大，且在全新统地层中下部土体易产生砂土液化现象，影响地基稳定，但上部黏性土承载力较高，可做天然地基； 在上更新统中主要分布有砂砾石、中细砂、淤泥质土和黏土，对于砂砾石层来说其承载力高、压缩性小，可作为良好的桩基持力层； 在中更新统中代表性土体为黏土，其承载力高，可作为良好的隔水层[28]。

6.2.1.2 水文地质条件

武汉市位于长江与汉江的交汇处，水源丰富。且由于武汉地区地势低洼，地表水丰富，所以地下水的补源较为充足。同时地下水类型多，水量丰富，且含水层较厚。

对于不同的地貌单元，地下水的特点也不同。可按照武汉地区地下水的赋存条件，将其分为上层滞水、孔隙承压水、潜水和基岩裂隙水[29]。

Ⅰ级阶地处的地下水类型主要为孔隙承压水和上层滞水，位于Ⅱ、Ⅲ级阶地的水文条件并不复杂[30]。全新统中的孔隙潜水、孔隙承压水埋深较浅，孔隙潜水的含水层厚度为3.5～6 m； 上更新统中孔隙承压水位于Ⅱ级阶地，含水层厚度为1.6～33.2 m。

由于武汉地区地表水、地下水资源丰富的原因，带来了岩溶地面塌陷的问题。在赋存下伏裂隙岩溶水、地势低洼的临江Ⅰ级阶地容易发生此类问题。

6.2.2 施工工艺

软土往往形成软弱地基，在施工中应加以注意。而武汉地区的沿江一带、长江Ⅰ级阶地、长江河道河床区及湖泊周边地段软土分布集中，软土埋深一般为2～10 m,厚度一般为3～7 m,局部地段厚度超过16 m,小者厚度为0.5 m[31]，差异性较大。而当软土厚度<3 m时，软土区对地下空间开发影响轻微； 当软土厚度为3～6 m时，软土区对地下空间开发影响一般； 当软土厚度为6～9 m时，软土区对地下空间开发影响较严重； 当软土厚度>9 m时，软土区对地下空间开发影响严重[32]。

由上述分析可知，汉口和武昌地区的地质条件对地下管道的开挖有着不同程度的影响。盾构法在深堆积中等软弱的不透水地层中最为适用。所以拟对武汉地区过江管道采用盾构法进行开挖，且开挖深度应在地铁埋深以下。而汉口、武昌地区管道则采取顶管法的方式进行施工，开挖深度也应在地铁埋深以下。武昌、汉口跨江地下物流管道布置如图8所示，图中红色段采用顶管法施工，紫色段采用盾构法施工。

图8 武汉地区武昌、汉口跨江地下物流管道布置图

Fig. 8 Layout of river-crossing underground logistics pipelines in Wuchang District and Hankou District

以武昌的洪山区为例，洪山区的地貌以平原为主，山水环绕，东湖位于其内。洪山区内有以武汉大学、华中科技大学为代表的众多高校，也有以光谷广场、街道口、洪山广场为代表的商圈，对物流量需求大。

顶管法作为非开挖技术的一种，对于修建穿过已建成的建筑物、交通线下面的涵管以及河流、湖泊的工程特别适用。由于其不需要明挖土方，对周围环境影响较小，同时也具有施工简单、造价低、工期短、适合在很深的地下铺设管道等特点[33]，所以对于洪山区建设城市地下物流管道而言，顶管法是首选的方法。洪山区地下物流管道布置如图9中红线所示。

Fig. 9 Layout of underground logistics pipelines in Hongshan District

再以汉口的江汉区为例，江汉区相当于汉口的中心，地理位置优越，经济发达。汉口火车站、江汉路、中山公园、武汉国际会展中心等均位于此，人流量大，物流需求量也大，所以在施工中也应采取顶管法。江汉区地下物流管道布置如图10中红线所示。

图10 江汉区地下物流管道布置

Fig. 10 Layout of underground logistics pipelines in Jianhan District

7 结论与讨论

城市地下物流系统作为一种符合可持续发展理念的系统工程，无论对其研究还是建设都是十分有意义的。本文从武汉地区在建设地下物流系统中将会面临的经济问题、融资方法选择、站点布置、载运工具以及施工方法选择等方面出发，进行了较为全面的分析，得到以下结论：

1)在武汉地区修建地下物流系统将承担整个武汉地区40%左右的货运量，且 GDP对货运量的正向影响最大，居民消费水平对货运量有较大的负面影响。因此，提高GDP和居民收入才能保证地下物流系统的顺利建设。

2)对于地下物流系统单线管道设计而言，管道内径为2 800～3 500 mm时经济性较好，管道内径为2 800 mm时，货物覆盖率达90%，可基本满足城市货运要求，且建设成本较低，为最优选择。

3)地下物流系统作为准公共产品，与地铁性质类似，由于地铁的融资租赁模式出资速率快、融资渠道便捷、限制条件较少，具有明显的融资优点，在融资方案上可作为参考。

4)在站点布置上，应将物流中心、配送中心、目的地和仓库等通过网络结构连接起来，形成一个有机的整体，从而使地下物流系统高效协调运转。

5)对于武汉地区地下物流系统，应选择可容纳货物尺寸大、总载荷量大、装卸时间短的集装箱型地下物流载运工具来完成城市货物的运输。在施工方法上应选择盾构法、顶管法等非开挖技术来减少对周围环境的影响，降低成本，缩短工期。

虽然我国对于城市地下物流系统的建设仍处于研究阶段，相关的法律法规还没有完善，但笔者认为，随着我国社会主义现代化进程的不断推进和科学技术的不断进步，发展地下物流系统将是未来智能城市建设的必然选择。它能够提高城市的吸引力，增加城市的GDP和就业岗位，提高人们生活的幸福感，使人们享受到足不出户便可接送物件的便捷性； 节约地面空间、改善地面卫生环境和交通问题，带给人们环保、舒适的生活环境； 与各个部门建立联系，如与地下垃圾处理站连接进行垃圾处理，与城市地下综合体连接运输和接收货物，使人们生活更加高效、快捷。但对于城市地下物流系统而言，将其进行实际运用并与未来智能化城市建设相融合，仍需要大量的研究与试验。此外，如何利用卫星实时监测地下物流系统中的货物位置，如何提高地下物流系统在港口或机场中的吞吐量，如何将真空管道运输和磁悬浮技术应用到地下物流管道系统中以提高运输速度和降低能源成本等问题，都是未来所需要解决的，也是发展趋势所在。