烟台—大连超长真空水下桥(隧)构想

2020-01-01刘子忠杜润杰张志宇

隧道建设(中英文) 2019年12期

关键词：跨海真空管真空

刘子忠, 杜润杰, 张志宇

(北京九州动脉隧道技术有限公司，北京 100044)

0 引言

渤海是我国的内海，它北邻辽宁，西接河北、天津，南连山东，三面为大陆环抱，东面出口处有山东半岛和辽东半岛南北相望，形状与英文字母C相似[1]。而位于辽东半岛与山东半岛中间的渤海海峡，是阻隔我国华东地区与东北地区交通的天堑。

由于渤海海峡的存在，导致原本彼此距离很近的烟台和大连(最短直线距离仅为109 km)往返的铁路和公路只好绕行山海关，多走1 000 km[2]，极大地阻碍了两地之间的直接交流。

因此，从山东蓬莱经长岛到辽宁大连、旅顺，建设一条跨越渤海海峡的直达快捷通道，将有缺口的“C”形交通变成便捷的“D”形交通，化天堑为通途[3]，是许多人梦寐以求的目标。通道的建成，对东北地区和华东地区的经贸联系，对全国乃至整个东北亚的地缘格局都将产生深远的影响。

多年来，王梦恕院士在《渤海海峡跨海通道战略规划研究》[4]、孙钧院士在《对兴建渤海海峡跨海通道有关问题的思考》[5]、孙东琪等在《渤海海峡跨海通道客货流量预测分析》[6]、刘良忠等在《国内外跨海通道的比较及启示》[7]中，对国内外跨海通道建设经验、水下隧道技术难题及渤海海峡桥隧组合方案、渤海海峡跨海通道经济性分析等方面进行了深入研究，对本文的研究具有较好的理论借鉴意义。

与前人研究方案不同的是，本方案希望通过对超长海底真空管道的研究，为今后超长跨海通道的建设提供一个新的思路。

1 渤海海峡自然及地理条件

渤海海峡位于山东半岛和辽东半岛之间(见图1)，北起辽东半岛最南端的老铁山角，南至山东半岛最北端的蓬莱角，是连接渤海与黄海的水流通道。海峡南北两端最短距离约106 km，海底地势总体上为北深南浅，平均水深约25 m，最大水深约86 m[8]。

图1 渤海海峡平面图

渤海海峡为暖温带季风气候，属台风影响区，大风可达12级以上。年雾日15～37 d，以6—7月最多。渤海属华北地震区，是我国强震最为活跃的海域之一。通过对环渤海地区地震学参数等综合分析，认为渤海海峡及邻区有发生 5 级以上地震的异常背景。这些研究可为渤海海峡跨海通道的建设，尤其是线路的设计提供指导。

2 渤海海峡跨海通道真空水下桥建设思路

2.1 真空管道方案简介

限制地面高速交通工具达到最高速度的根本原因是稠密大气，因此克服气动作用是地面高速交通的主要任务，包括： 1)气动阻力随速度的平方而上升； 2)速度噪音随速度的7次或8次方而急增。这是任何形式的交通工具都无法避免的客观规律[9]。真空管道运输系统旨在通过铺设于海底的管道内运用真空技术，使在管道内运行的真空飞行巴士不受空气阻力的影响，得以获得更高的运行速度。且由于隧道内的阻塞比增大，隧道截面可以做得很小，从而大幅降低了整条线路的建设成本。这对渤海海峡跨海通道这样的长大干线是极为重要的。

真空管道运输系统(国外称“Hyper Loop”)为第5代交通工具运输系统，该系统包含3大关键技术，分别为水下桥技术、真空飞行巴士技术、真空技术。此外，真空管道运输系统还有6大配套技术，包括牵引供电技术、电磁道岔技术、运行控制技术、换乘技术、救援逃生技术和水下施工技术。从技术谱系上来看，真空管道运输系统与高铁系统一样，属于综合运输体系，具备长大干线的运输能力。本文以土建技术为主，将在后续章节详述水下桥技术，其他的配套技术不再展开将另文研究。

2.2 水下桥技术介绍

水下桥技术为整个系统提供运输通道载体，概括起来就是将预制好的管段式梁体高架在海底海床上，如图2所示。该技术借鉴了传统桥梁施工工法，具有结构简单、施工快捷、安全性高、兼顾通航性等特点。

图2 真空管道原理示意图

水下桥结构的管段结构体积小，质量轻，可以开发一种水下架桥机快速地进行对接安装。水下架桥机能够沿着已经安装完成的管段行进，稳定性好，不容易受到海面风浪或者其他因素的干扰。

水下桥基础的功能发生了质的改变。水下桥基础是浅埋于海床之下或者微露出海床，与跨海大桥的桩基础相比，工程量和工作难度都要小很多。一般来说，桥梁基础的作用主要是定位和支撑，但是因为水下桥管段结构利用水的浮力平衡掉了绝大部分的重力，其基础功能发生了变化，主要作用变成了锚固作用。

水下桥结构相对更安全可靠。水下桥结构紧贴于海床或者浅埋，能够保证在正式运营的时候，不影响水域原航道的通航能力，更不会对飞机的航行造成干扰。此外，水下桥结构相对于水上桥跨结构还有一个巨大的优势，就是在运营过程中不受天气的影响，能够保证通行的时效性；且水下桥结构露出水面的部分是弧形的拱面，能够使主体结构减轻或者免受船只拖锚造成的损害。为了保证线路的平顺性，有部分主体结构会悬浮在海床之上，这时可以在管段的两侧插打防护管桩甚至钢板桩，保证其不受外力损毁。

水下桥主体结构的制作是在地面预制场完成的，质量更容易得到保证。相比现场施工的盾构管片，接头要少很多，且施工区域都位于海床表层，地质情况容易探明，可以采取各种措施更好地防止漏水发生，杜绝类似日本青函隧道施工过程中的严重透水事故(先后发生4次大的出水事故，最高出水量达80 t/min，连续出水50 d，70多m长的坑道被淹没)，施工的风险要小很多。

水下桥方案单公里建设成本稳定，一般情况下不会随着长度的增加而大幅上升，像中韩日海底隧道、渤海通道、台海通道都可以采用本方案进行建设实施。

综上所述，水下桥是一种新型的跨海通道建设模式，代表先进技术的发展方向，是一种更加经济高效的通道方式，将会为超长距离跨海通道领域带来新的变革。

3 通道方案对比

3.1 线位方案对比

由于桥梁方案并不适合长距离跨海通道的建设，因此，渤海海峡跨海通道建设方案应以隧道方案为主。以下对全隧道连岛铁路工程方案与水下桥方案进行对比分析。

3.1.1 线路的平面比选

铁路隧道方案国内已有多年的研究。铁路隧道的优点在于运量大，且铁路的组织性强、安全性高、施工截面比公路隧道小，更适合长距离的通道运输，可以与全国高铁组网。目前，渤海海峡主流的方案是全隧道连岛铁路工程方案。如王梦恕院士于2013年发表的《渤海海峡跨海通道战略规划研究》中提出采用从旅顺老铁山到蓬莱东港的连岛线路方案，线路总长125 km[4]，考虑到线路接驳，陆上线路需新建，线路实际总长约240 km。

如图3所示,水下桥线路总长173.5 km，其中海中段137 km，单管双线；陆地段共计36.5 km，单管单线。南部烟台设烟台开发区站、烟台站2个站，在近海处会合后，水平方向直线穿越渤海海峡抵达大连小平岛西站，接驳大连机场与大连北站。

渤海海峡及其两岸的断裂较为发育，主要是郯庐断裂带，在渤海南部海域郯庐断裂主要分为2支：NWW向张家口—蓬莱断裂带、渤海中部及南部海域内的NW向断裂，都被认为是张家口—蓬莱断裂带的次级断裂。它们控制了海域内的次级构造凸起和凹陷，并在渤海中部切过郯庐断裂带。

近500年渤海地区发生的4级及以上的地震分布如图4所示。通过对环渤海地区地震学参数等综合分析，认为渤海海峡及邻区有发生5级以上地震的异常背景。预测结果为：胶东北部海域为3级地震集中区且边缘有发生4.5级左右地震的可能；唐山老震区仍有发生5级左右地震的可能；海城老震区5.4级地震后地震活动水平呈下降趋势，小震活动频繁，但无明显地震异常[10]。渤海海峡综合等震线如图5所示。铁路连岛工程线路方案需穿越2组主要的NWW向断裂构造带以及岛上一系列小的断裂构造带，存在安全隐患。

图3 渤海海峡跨海工程线位对比

Fig. 3 Comparison of line position of Bohai Strait sea-crossing project

图4 近500年渤海地区中强震(M≥4)分布

Fig. 4 Moderate strong earthquake(M≥4)distribution of Bohai region in nearly 500 years

图5 渤海海峡综合等震线图[11]

由图3—5可知，铁路连岛线路及其陆上接驳方案需要修建的线路很长，而水下桥方案的线路则相对较短，在工期、造价、施工风险方面更有优势；其次，在地震避让方面，水下桥方案的线位选择更加合理。

水下桥方案建议的登陆点，分别位于烟台和大连。烟台的登陆点建议选择在滨海西路北侧，大连的登陆点建议选择在小平岛西侧，具体位置如图6和图7所示。

图6 烟台登陆点

选择这2个地方作为登陆点能够使海底隧道距离较短，经过的海域海床地势较为平坦，海域深度最多65 m(连岛工程海域最深处约86 m)，而且这2点的直连海底线路能够很好地避开地震高烈度区域。

图7 大连登陆点

在烟台市的滨海西路北侧登陆能够很方便地与烟台经济技术开发区和烟台站接驳，到经济技术开发区线路长度为4.8 km，到烟台站线路长度为6.5 km，能够使乘客便捷地到达出行目的地或者中转站。

大连端的登陆点位于小平岛西侧，同时设置小平岛西站。小平岛距大连市金融商务区——星海湾广场仅有9 km，距机场18 km，距旅顺28 km，毗邻全国著名的大连软件园，是大连市政府规划的信息产业带龙头地段。

由于烟台和大连两地的登陆点均离市区较近，因此接驳方式也大为简化。人们可以换乘城市公共交通或者既有的轨道交通工具前往市区。当然，也可以将真空管道运输系统延伸至市区主要交通枢纽，从而更好地与城市公共交通体系兼容。

3.1.2 线路的纵断面对比

铁路连岛工程线路采用18‰的最大坡度方案，隧道最小埋深约80 m。复杂条件下深埋长大隧道主要的地质灾害有高应力、高地温、涌(突)水等，如法国仙尼斯峰隧道、日本青函隧道等，其中青函隧道修建过程中，曾遇到4次大出水事故。为了减小海底隧道运营期间衬砌受到的水压力，减少病害，且考虑隧道的排水系统，隧道纵断面采用W形，如图8所示，海平面到隧道最低处的拱顶距离约为160 m。

图8 渤海海峡隧道铁路连岛方案纵断面[4] (单位： km)

渤海海峡跨海通道水下桥方案根据海峡海床标高特点，沿着海床进行水下桥施工，如图9所示，在近岸处与陆地隧道进行对接。

图9 渤海海峡隧道真空管道方案纵断面 (单位： m)

与铁路连岛方案相比，虽然2个方案都不会影响通航，但水下桥方案通过创新技术可以使施工难度降低，避免连岛方案中的隧道施工突水风险，并且水下桥方案可以在水下与盾构隧道进行对接，利用海床标高，整体线路坡度合理，同时保证了隧道坡度的缓慢过渡。铁路连岛方案选择坡度为18‰，与水下桥方案最大坡度2‰相比，水下桥方案线路的坡度平顺性更好，更加适用于轨道交通工程。

因此，建设水下桥是较理想的方案，此方案可实现： 1)不受台风、暴雨、大雾等恶劣气候影响，实现全天候运营； 2)运营期间隧道实现全封闭，不会出现漏水、渗水现象； 3)充分利用海底地形地貌特点进行方案选择，依据不同的地质条件选择不同的基础，降低整体施工的难度与风险。

3.1.3 通道断面形式对比

铁路连岛线路方案采用“双洞单线+服务隧道”断面方案，内净空面积约为169.3 m2。如图10所示，该方案可在施工中采用巷道式射流通风，有利于施工安全，服务隧道可作为主隧道施工时的避难救援场所。但该方案运营采用常压轮轨，横截面积较大，超大断面意味着需采用大型盾构施工，并对施工过程中一系列配套设施与措施都有更高要求，工期更长，施工风险更大。相对来说，铁路连岛方案不是最佳选择。

图10 铁路连岛方案渤海海峡隧道横断面图[4] (单位： m)

结合水下桥方案的技术优势，由于其内部为低真空状态，在管道内运行的车辆——真空飞行巴士在运行过程中几乎不受空气阻力的影响，隧道内的阻塞比可以很大，而管道自身的截面可以很小。因此，如图11所示采用单洞双线方案，内净空面积为30.68 m2，大大降低了隧道截面面积，从而降低了施工难度，缩短了工期。隧道内有钢结构支撑作为加强，钢结构两侧分别为对行线路，其余空间为管线及其他辅助设施空间，施工时亦可作为临时空间。隧道两侧壁厚700 mm，底部厚1 000 mm，在水中重浮比约为1.02。

图11 渤海海峡真空隧道横断面图 (单位： mm)

由2个方案的截面内净空面积对比可知，水下桥方案的截面面积远远小于铁路连岛方案，因此无论从施工难度、工期控制还是造价方面，水下桥方案都占据优势。

3.2 建设成本对比

若按照真空磁悬浮水下桥方案进行项目建设，线路总长173.5 km，隧道系统的造价约为356亿元，隧道系统单公里造价约2.052亿元。将真空水下桥方案的系统造价与近年来国内其他的跨海域通道建设方案造价进行对比,如表1所示。

表1 跨海域建设方案单公里造价对比

注：水下桥方案目前尚没有完整的工程实例可供参考，造价的预估可能会有偏差。

表1包括了常见的跨海域通道建设方案：桥梁方案、隧道方案、沉管方案、桥隧混合方案，与这些方案相比，真空水下桥方案在线路单公里造价方面具有明显的优势。主要原因包括以下几点。

1)总体规模小：真空水下桥方案断面比较小，只有铁路盾构隧道方案的1/5，施工费用和材料费用都比较少。

2)现场施工少：真空水下桥方案是一种局部埋置的预制沉管结构，水下清淤或者挖掘的工程量少，而且由于埋置不深，大部分挖槽工作的对象都是海床表层的淤泥质土，可以采用吸泥船完成。

3)基础造价低：真空水下桥基础功能由支撑作用变成了锚固作用，不再需要进行大量的围堰施工，大大降低了基础的造价。

4)附属结构少：真空水下桥充分利用了水的浮力，材料受力性能优化很多，抵消了管道自身大部分的重力荷载，减少了不必要的浪费，并且不需要通风、照明、防火和排水设施，极大地节省成本。

3.3 施工方法对比

3.3.1 施工期间的难点和安全性对比

跨海通道的建设是一项浩大的工程，像烟台—大连之间的连接通道，跨海距离长达100多km，更是全世界前所未有的。这么长的跨海通道，无论采用哪种方式都会面临多种困难和风险，下面对3.2节中涉及的5种施工方法的难点进行剖析。

1)钻爆法： ①深水海底地质勘测困难、造价更高、准确性相对较低，因此若遇到未预测到的不良地质情况，风险更大。②水下隧道施工的主要困难是突涌水，特别是断层破碎带处。③水下隧道的单口掘进长度很大，因此对施工期间的通风有更高的要求。④很高的孔隙水压力会降低隧道围岩的有效应力，造成较低的成拱作用，影响地层的稳定性。

2)盾构法： ①隧道施工过程中承受较大水压力、土压力，稳定工作面难度较大，易发生突水突泥等事故。②纵坡转换和地层突变处盾构推进困难。③长距离掘进，盾构行进姿态的控制与自动化纠偏以及行进中的刀盘检修更换、故障处理与排险频繁。④管片结构接缝多，容易漏水。

3)沉管法： ①沉放作业施工速度严重受制于洋流和天气。②可能会遇到大方量的水下爆破，影响海洋生态。③施工过程中影响通航。

4)真空水下桥： ①施工过程中影响通航。②沉放作业施工速度严重受制于洋流和天气。③施工中需要克服巨大的水压以及浮力，并且可能影响海洋生态环境。

5)跨海桥梁： ①存在大量的高空作业。②受气候与水文影响较大。

通过以上剖析不难发现，真空水下桥的施工难度相对较低，施工安全性相对较高，建议在今后跨海通道的建设过程中对该方案进行尝试并进一步论证。

3.3.2 工期比较

水下桥方案线路总长173.5 km，其中海中段137 km，施工总周期为7年(84个月)。关键线路及工期分别为预制场建设6个月、沉管预制及安装60个月、安装工程12个月、运营调试6个月。与其他类似的跨海域工程对比如表2所示。

表2 跨海工程工期对比

与这些具有代表性的方案或者工程实例比较，显然仅用7年即可竣工的真空水下桥方案更具有优势。

真空水下桥方案为什么能有如此高的建设速度？主要是由于真空水下桥方案有以下优势。

1)大部分采用预制件：真空水下桥方案的主体结构全部在预制场预制，可以与下部结构的施工同步进行。

2)基础简单：真空水下桥基础部分的主要功能由支撑作用变成了锚固作用，可以采用预制的混凝土基础或者管桩基础，不再需要进行大量的围堰施工，结构简单，施工方便，特别是在深水区域优势明显。

3)现场开挖量少：真空水下桥主体结构局部埋置，现场开挖工作量少，而且多是表层淤泥质土，可以采用吸泥船，挖槽施工速度快。

4)管节安装容易：真空水下桥管节可以采用半潜驳批量运输安装，相比常规的沉管拖运来说，灵活性、机动性和速度都大大提高，也可以开发一种水下架桥机进行快速的安装，不易受到恶劣多变的海洋天气干扰，可以有更多的安装作业窗口期。

3.4 维护及救援方法对比

3.4.1 普通盾构隧道

1)陆地盾构隧道部分的维护主要是隧道日常运行维护、突发事件应急组织协调工作、确保隧道设施与机电设施的安全运行，包含： ①隧道衬砌、检修道、路面等结构的变形、裂缝、错台、拉裂、位移、偏移、拱起等病害防治； ②隧道水病害的日常检查维护以及检查隧道外的排水截水沟是否通畅。

2)普通盾构隧道的救援，在这里主要是以铁路隧道防灾救援为主。相关规范规定，铁路隧道防灾疏散救援通道主要有洞内(洞口)紧急救援站、避难所和紧急出口、横通道3种形式。对于双线铁路隧道，紧急救援站通常采用中间设置平导隧道，将横通道相互联通的救援站形式。在防灾通风设计中，对防护门和电动风阀进行联动设计，同时考虑通风排烟[12]。

3.4.2 普通海底沉管隧道

1)沉管隧道会随着使用年限的增加出现一定程度的老化。由于地基的沉降、潮汐、淤积深度等外部可变荷载的反复作用会使隧道产生不均匀沉降和局部受损，给隧道的结构安全带来隐患，甚至使隧道产生结构破坏，影响隧道的正常使用。监视隧道在运营中的结构性能状况，是沉管隧道日常维护最为关键的部分，需对沉管外部密封性进行定期检测。

2)沉管隧道由于结构的特殊性导致防灾救援体系与盾构隧道和一般公路隧道存在一定差异。沉管隧道相对于盾构隧道以及矿山法隧道具有结构紧凑、后期预留洞室困难等突出特点，因此导致防灾救援系统与其他类型隧道有所差异。其主要采取火灾检测，设置报警设施，安装监控设施、交通诱导及广播设施、灭火设施，设立救援站、消防控制室等措施，并采用纵向通风加重点排烟模式[13]。

3.4.3 真空管道方案

1)采用隧道实时健康监测系统： ①实时观测隧道沉管结构沉降、变形及受力状态，确保隧道健康运营；②预测下一步结构的变形趋势，根据变形发展状态，决定是否需要采取相应的防护控制措施，并为确定经济合理的养护方案提供决策依据；③建立多级安全预警系统，确保管段运营期间的整体及局部安全性；④渤海沉管隧道的维护与养护也可以作为今后沉管隧道维护监测的重要参考依据[14]。

与普通盾构隧道和普通海底沉管隧道维护方案相比，真空管道方案的维护优势在于: 由于是真空环境，运营维护中的消防安全问题可相对更好地控制与解决；另外，真空管道内运行的是磁悬浮列车，在高速运行状态下不与轮轨接触，无机械冲击，在轨道与道岔的维护上比铁路方案相对简单，成本更低。但是，前2个方案中涉及的日常运营维护是真空管道方案依然需要考虑的；除此之外，真空管道方案还需要考虑真空环境与复压后的运营维护，在这点上，相对来说运营难度大，维护成本高。

2)真空管道方案的应急救援机制主要针对的是当真空飞行巴士遭遇险情时的应急措施，当某段隧道内出现事故时，会对该段隧道迅速进行复压。

由于真空隧道采用的是分段控制的机制，各段隧道均可以通过阀门关闭。倘若某段隧道出现险情，则相邻的2段隧道会迅速通过阀门与事故段隧道隔离，同时对事故段隧道进行快速复压，以便展开救援工作。

4 经济与社会效益分析

在2019年召开的国际桥梁与隧道技术大会上，孙钧院士表示，渤海海峡跨海通道的初步估算项目资金约为3 000亿元。现对比目前全球运营最成熟的海底隧道——英法海底隧道。英法海底隧道为铁路隧道，总长度为51 km，其中海底隧道长度为39 km。从1986年2月12日启动到1994年5月7日正式通车，建设历时8年多，耗资约100亿英镑(约150亿美元)，合现今人民币2 010亿元。

英法海底隧道主要客源为英国旅客，而渤海海峡跨海通道的主要客流为辽宁旅客。通过孙东琪等在《渤海海峡跨海通道客货流量预测分析》[6]一文中的研究，将2条通道的公开数据进行对比(见表3)。

表3英法海底隧道与渤海海峡跨海通道(铁路连岛方案)比较

Table 3 Comparison between The Channel Tunnel and Bohai Strait cross-sea railway channel

比较项目英法海底隧道渤海海峡跨海通道(铁路连岛方案)主客流地区英国辽宁人口/万人6 605(2017年)4 368.9(2017年)GDP 22 636.23亿英镑,合人民币198 089亿元(2018年) 23 942亿元(2017年)隧道长度/km51125建设成本 100亿英镑(1994年),合今人民币2 010亿元约3 000亿元单公里造价 1.96亿英镑(1994年),合今人民币39.4亿元约24亿元工期/年815客运量/万人1 800933(2050年)货运量/(×104 t)80010 711(2050年)年收入 4.72亿英镑(2016年),合人民币41.3亿元约105.66亿元(2050年)年亏损约2亿英镑,合人民币17.5亿元94.4亿元

由表3可知，如果选择全隧道连岛铁路工程方案，很有可能面临英法海底隧道一样的巨额亏损局面。每年这样巨额的亏损无论是由中央政府拨付还是由地方政府承担，都是不可承受之重。因此，该通道的建设成本应该控制在一定范围内，才有可能保证既为2个半岛地区的经济、社会交流服务，又不至于面临巨额亏损。

预计到2020年，烟大之间的年客流量为1 645万人，年货运量为11 817万t。其中，既有铁路(环渤海方向)客流量为406万人，货运量为1 485万t；公路(环渤海方向)客流量为527万人，货运量为9 226万t；水路客流量为422万人，货运量为1 083万t；民航客流量为289万人，货运量为23万t[6]。

按照真空管道方案进行项目建设，估算项目投资总额为496.1亿元(其中土建投资356亿元)，按照7年建设期，则年均投入成本仅为70.87亿元，该线路方案的最大年客运承载能力为1.26亿人次。在通道建成后的2030年，年收入可达105.66亿元，扣除年均投入成本，真空管道方案可实现盈利，甚至可以提前几年收回建设成本。对于真空管道方案的的货运能力，将在后续研究中深入开展。同时，500亿元内的工程投入，也在烟台和大连两地的财政承受范围之内，有利于项目的实际落地。

此外，通道建成后，其综合开发经营收入、广告收入等也可以抵消一部分通道自身的运营费用。因此，该通道的内部报酬率高于社会一般折现率。

除了通道自身的运营收入，其对胶东与辽东地区、华东与东北地区、整个东部沿海地区,甚至东北亚地区的相关产业、经济发展的拉动效益更为显著。

通道的建成使得渤海南北两岸融为一体，北上与东北老工业基地乃至俄罗斯、亚欧大陆相接，南下与经济发达的华东地区相连，最终形成一条贯通我国南北、连接东北亚国家与欧亚大陆的交通纽带，从而为关内、关外经济的整体发展创造重要的便利条件。这一层面的经济与社会效益，是无法估量的。