日本跨海工程对我国跨海工程建设的启示

韩 琳 赵振华 刘淑芬

(1.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014； 2.华东交通大学理工学院，江西 南昌 330032)

1 日本地理及跨海工程概况

日本位于欧亚大陆以东、太平洋西部，陆地由北海道、本州、四国、九州4个大岛和其他6 800多个小岛屿组成，陆地面积377 880 km2，领海面积310 000 km2。由于日本国土岛屿众多，因此也称为千岛之国。

日本的几大岛屿之间被海域分割，例如九州与本州岛屿之间有关门海峡(中央水道深15 m～20 m，西部在10 m以下，东北端最狭处约700 m)，本州岛与北海道之间有津轻海峡(东西长约100 km，宽20 km～50 km，一般水深200 m，最大水深449 m)，四国岛与本州岛之间有濑户内海。此外，日本东京湾的陆地与海域地形和我国山东半岛类似，横跨东京湾的交通需求量也很大。

相比其他内陆国家而言，日本面临跨海交通问题，经济发达的几大岛屿之间的交通问题是关系日本国计民生的重要议题之一。

在日本主要跨海工程建设之前，其岛屿之间主要采用轮渡交通形式，但是由于海上交通受大风、大雾天气影响，交通状况不稳定，存在巨大的安全隐患。在历史上，日本曾发生多起沉船事故，造成重大人员伤亡和财产损失。例如：1954年，在津轻海峡，有5个轮渡因恶劣天气(台风)而翻沉；1995年，在日本濑户内海，因浓雾导致紫云丸号轮渡翻沉。日本政府为了保障交通安全，同时获得长远运输效益，相继在关门海峡、津轻海峡、濑户内海及东京湾等地修建了多个重大的跨海通道工程，包括在津轻海峡修建了青函海底隧道；在关门海峡修建了关门公路隧道及关门铁路隧道；在日本濑户内海的本州与四国岛屿之间陆续修建了濑户跨海大桥、明石海峡大桥、角岛大桥、古宇利大桥、新北九州机场连接桥、东京京门大桥及第一北上川大桥。日本海底隧道及跨海桥梁工程见表1。

由表1可知，日本海底隧道工程主要分布于津轻海底和关门海峡，而日本跨海大桥主要分布于日本濑户内海的本州与四国岛之间。此外，由于在日本东京湾区的交通需求量很大，因此在东京湾区修建有东京湾桥隧道工程及京叶线沉管隧道(日本主要跨海桥梁与隧道工程分布情况如图1所示)。从建造时间上来，日本的海底隧道工程均在1981年以前建成，日本的跨海桥梁工程修建年代从1974年到2012年，其中著名的明石海峡大桥及濑户海峡大桥均是1988年建成，其中明石海峡大桥的主跨达1 991 m，濑户海峡大桥的主跨达1 100 m；日本的青函海底隧道在1983年建成，隧道全长53.85 km，其中海域段长23 km。

表1 日本主要跨海桥隧道工程统计

尽管日本主要跨海桥梁和隧道工程大多修建于30年前，但是无论从桥梁的最大跨度还是从隧道总长度而言，这些超级跨海工程的规模及技术水平至今仍处于世界领先地位。日本跨海工程的相关技术和经验，对我国规划琼州海峡及渤海湾跨海通道具有重要的借鉴和参考价值。

2 日本跨海工程决策过程

2.1 跨海隧道通道建设必要性的论证——以关门隧道为例

早于1923年，阿部觉治在“大函馆论”中就提出了青函隧道的构想。1939年—1940年：桑原弥寿雄提出青函隧道的构想计划。但这些构想并未有实质性的行动。而由于二战的失败，日本丧失了大量的海外领土，不得不重新将目光投向国内，在此背景下发展人口密度较低的北海道引起了政府的关注；交通部十分清楚，发展北海道就必须在其和本州之间建立一个稳定的交通系统。

另一方面，随着1943年关门隧道(世界上第一个全尺寸海底隧道)的建成，日本政府对于建设其他海底隧道充满了信心和希望。

1946年4月：“津轻海峡联络隧道调查委员会”成立，开始进行陆地部分的地质调查。1953年开始利用渔船进行海底部分的地质调查。

1954年9月26日：玛丽台风侵袭津轻海峡，造成洞爷丸、日高丸、北见丸、十胜丸和第十一青函丸5艘青函联络船被台风吹翻，这次事故是促成青函隧道兴建的关键因素。

此外，根据日本JNR运营的渡轮公司的数据，在1955年—1965年间，两边岛屿之间轮渡的客运量增加了1倍，达到4 040 000人，货物量增加了1.7倍，达到6 240 000 t。1971年做出的交通量预测，估计两岛之间的交通量最终将超过轮渡码头设施能力，因此工程的建设迫在眉睫。

2.2 跨海大桥通道建设必要性的论证——以濑户大桥为例

日本自明治维新之后，发展工业，国力大振。到昭和时代，国内道路交通事业已有一定规模。但限于时代水平，可以说，除了关门海峡有海底隧道外，虽然有这么多的岛屿海峡，还没有其他跨海的道路和桥梁。二战前道路沿山曲折，遇水正交跨越，桥梁跨度均没有超过200 m。第二次世界大战后，修建横跨濑户内海的“本州四国连络桥”被提上议事日程。

1955年，濑户内海发生了一起轮渡沉没，这促使日本政府下定决心修建跨海通道。1962年10月5日内阁会议决定开展“本四连络桥”可行性研究。1969年5月30日内阁会议决定了“本四连络桥”的建设方案。

1977年11月4日内阁会议决定先修建儿岛—坂之间的公铁两用桥，并于1978年10月10日正式开工。1988年4月10日，连接本州和坂出市的濑户大桥建成通车。

在考虑之初自然有桥、隧之争。军部已不能与建设关门海峡跨海工程那样，用战争考虑否定桥梁方案。鉴于美国于第二次世界大战前期已建成了超过千米、中跨为1 280 m的金门大桥(1937年)等一系列悬索桥，且世界大跨悬索桥有发展的趋势和前途，同时也会增加景观和相比于隧道的其他优点，本四联络线公团最终确定建设本四联络桥，南、北备赞濑户桥就是位于儿岛—坂出线(中线)上的一条公铁两用的线路。

2.3 建设时机的选择

长大跨海工程的投资巨大，其建设时机的选择受多方面因素的影响，包括国家经济的发展水平、跨海工程技术的发展水平、国家战略的需求、跨海工程的经济效益和社会效益等。我国琼州海峡和渤海海峡跨海工程建设的必要性已经毋庸置疑，但何时修建却一直争论不休。

日本青函海底隧道全长53.85 km，是世界上长度最长、规模最大的海底铁路隧道，该隧道勘测历时17年，修建历时19年，于1983年建成。青函隧道的建造成本是极其高昂的，1971年开工时的预算费用为8.3亿美元，但竣工决算时造价高达27亿美元，平均每公里超过0.5亿美元。工程极其复杂，施工条件非常差，青函隧道修建过程中分别于1969年和1976年发生两次重大涌水事故，花费巨大精力和成本最终克服困难。

如图2所示为日本典型跨海通道建设时期，可以大致划分为两个阶段：经济崛起时期和经济繁荣时期。二战后，日本经济获得快速发展，成为继美国之后的世界第二大经济体。伴随着经济的崛起，青函海底隧道于1964年开工，其建设周期长达数十年。开工建设当年的GDP总量为820.6亿美元，投资成本约占GDP总量的3.29%。进入经济繁荣时期的20世纪80年代后，濑户大桥、明石海峡大桥等工程相继开工建设，工期都在10年。在此期间，日本的经济进入繁荣时期，其国内生产总值保持高速增长，这时的GDP从1.3万亿美元攀升至5.2万亿美元。其中，濑户大桥的建设成本为84.6亿美元，开工当年的GDP总量为9 676.5亿美元，该工程投资占当年GDP的0.87%；而明石海峡大桥总成本为43亿美元，开工当年GDP总量为29 706亿美元，建设成本占当年GDP的0.14%。日本三个跨海工程占GDP总量范围是0.14%～3.29%，其中，青函隧道因为当年GDP产值较低而且建设数十年，导致投资占比达3.29%以外，另两个工程占比均不足1%，如表2所示。

表2 日本典型跨海工程的成本及其投资占比

与日本相比，由图2可知，我国GDP总产值在2012年首次超过日本，跃升为世界第二大经济体。截止到2018年，我国的GDP产量已达136 000亿美元，从这个方面看，跨海工程建设所需的资金已不是问题。

如表3所示为我国跨海工程投资占比分析。琼海隧道计划修建长度为29.5 km，预计成本为4 000亿元(约合588.2亿美元)，假设以2018年的GDP总产值为建设期GDP，则该项目投资占我国GDP总量的0.43%；渤海跨海工程的计划长度为106 km，预计投资3 000亿元(约合411.2亿美元)，投资成本占GDP总量的0.32%。实际上，由于跨海工程建设期间，我国的GDP总产值会更高，所以跨海工程的投资比会更低。

表3 我国跨海工程的成本及其投资占比分析

2018年，中国基建投资大约占GDP总产值的9%，而北美和西欧的投资皆占为2.5%。即使考虑琼海和渤海工程同时开工，投资总占比仅为0.75%，处于日本跨海工程的投资占比为0.14%～0.87%之内。

所以，在不考虑其他经济因素的情况下，无论从经济总量的角度看还是工程的投资占比，我国现在已具备跨海工程建设的经济实力。结合目前我国局部地区对跨海工程的迫切需求，我国目前已经具备了渤海和琼州海峡跨海工程建设的基本条件，应抓紧时间开展跨海工程各项前期准备工作，促使跨海工程在十四五期间开工建设。

3 日本跨海工程的经验教训及其借鉴意义

3.1 日本跨海工程的经验教训

1)方案论证。

濑户大桥铁路、公路并用，集长跨度悬索桥、斜拉桥、桁架桥等多种形式横穿海岛、跨海峡的桥梁群于一体，在世界的桥梁史上，也是史无前例的。同时，该桥位于地震多发区，台风常侵袭区及国际海上航线要道，因此，其自然条件之恶劣，抗震、抗风设计要求之高，耗资之巨，都是世界建桥史上不多见的。因此，工程的前期调研和方案论证、对比，对于后期的施工进度、环境影响以及社会、经济效益有着额外重要的影响，应严格做好每一部分调研，与工程相关的各学科要进行全面的审议、探讨。

2)建设实施。

跨海大桥的建设和使用对环境产生深刻的改变。大桥通车后，取得了拉动经济增长的重要作用，但也容易让施工附近海域在之后的很长一段时间产生不同程度的水质污染。生态系统、水环境状况、海洋生物多样性、生物群落结构在工程建设期间容易受到影响。

明石海峡地区风速快、海潮流速快，可能出现强震，而且大桥自身规模较大，因此建设和维护运营过程中出现了问题和困难。针对沉箱基础尺寸大、施工难的问题，施工方开发了一种特殊的沉箱系泊系统，解决因海潮流速过大沉箱难以定位的问题；通过布置传感器并监控，使得沉箱顺利沉放。遇到此类困难时可以通过改进施工设备和方法应对。大桥未完工时发生了阪神大地震，但大桥损伤并不严重，得益于当时较为先进的设计理念和设计方法，表明优秀的设计可以减小施工过程中突发灾害的影响。针对因净空不足导致的引导索架设困难，施工方通过直升机牵引予以解决。针对边跨纵坡过大导致加劲梁架设施工困难的问题，通过改进架设顺序和方向改善。而猫道因净空不足无法设置抗风索，施工方通过使猫道轻量化、安装阻尼器等措施改进猫道的刚度和稳定性。施工方均采用恰到好处的方法解决或缓解。

3)运营阶段。

明石海峡大桥运营过程中主要问题是主缆腐蚀、吊杆的气动稳定性不足和大桥监测。当常规方法无法完全解决主缆锈蚀问题时，可以类比、学习明石海峡大桥的做法，开发干燥气体注入系统，降低主缆内湿度，从根本上解决问题。有了长吊杆的气动稳定性问题的前车之鉴，可以学习提高吊杆自身启动稳定性，而非被动的增加阻尼器的做法。而为了桥梁的正常使用、运营维护和后续科学研究，监控系统必不可少。

3.2 借鉴意义

学习濑户大桥的投融资模式，一部分是由日本政府同县市投资；另一部分是由政府、民间借入的资金。以官民合资并各自占取合理的比例投资。使社会上的游资发挥出强大作用。在工程建设完成后，以收通行费等方式偿还债金和盈利，并通过计算控制收回建设费的年限时间，得到合理的投融资模式。并细分各自部门职责：比如调配资金和监督工作；征地、渔业赔偿、解决施工期间过往旅客的渡航；施工管理，对竣工后的桥梁、道路进行运营管理，收取通行费等做到运营管理合理。

琼州、渤海海峡通道工程建成通车后，必然像青函海底隧道和濑户大桥一样，带来交通物流系统的大幅度提速，同时也必然对当前水运、物流业造成巨大挑战和影响，形成新的更加高效的交通格局，并提升和优化周边的产业格局。

此外，跨海工程的建设将打破地域壁垒限制，促进海峡两岸内部要素的流动，改变区域经济的发展格局，促进区域经济一体化发展，但也会导致海峡两岸区域竞争更加激烈，海峡两岸应利用跨海工程带来的交通便利充分发挥自身竞争优势，协调发展，实现共赢。

为了避免跨海工程建设及运营对环境产生的严重负面影响，建议借鉴濑户大桥，为避免海底爆破自身带来的伤害和爆破后的破碎岩石等杂物的堆积影响鱼类生存环境，工程指挥部门采取审慎的态度和四种新的爆破方法，从而保证工程的顺利进行以及环境的保护。

4 结语

参考日本跨海工程的经验，我们针对我国跨海工程给出一些建议：

1)跨海工程建设时机。

在不考虑其他经济因素的情况下，无论从经济总量的角度看还是工程的投资占比，我国现在已具备跨海工程建设的经济实力。结合目前我国局部地区对跨海工程的迫切需求，应抓紧开展跨海工程建设的前期准备工作，促使跨海工程在十四五期间开工建设。

2)海峡通道隧道方案。

琼州海峡具有台风多、跨度大、水深大、地层条件差等特点，而且海上还有10万t级以上的轮船航行，这对跨海大桥的建设和车辆通行是不利的。考虑到南海周边多国对南海有领土诉求，未来可能会发生领土战争，要求琼州海峡通道应更加隐蔽、更加不易被破坏，从而在战争中发挥交通大动脉的功能，采用隧道方案将是必然的选择，具有不可替代的意义。公路隧道的长距离通风疏散问题暂时无法较好的解决(需要在海峡中部设置多个通风竖井)。日本关门公路隧道在运营中通风噪声导致了严重的环境问题，而琼州海峡若建公路隧道，隧道长度将是关门海峡公路隧道的8倍～9倍，运营通风及交通安全问题无法解决。对此，推荐采用铁路隧道方案建设该跨海隧道，汽车采用背负式通过隧道。

渤海海峡全年平均大风日70 d以上，冬季多西北风和北风，夏季多南风和东南风。年雾日15 d～37 d，以6月～7月最多。属正规半日潮型，最大潮高不足2 m。与琼州海峡不同的是渤海海峡中部有多个岛屿，渤海海峡可考虑采用超长海底铁路隧道或跨海大桥与海底隧道组合的交通方式。

3)海峡通道桥梁方案。

鉴于琼州、渤海海峡地区特殊，也为国际海上航线要道。其中，渤海是中国的内海，其风浪规模比东海、南海小。有文献指出若采用南桥北隧的方案，渤海海峡的南桥，受风浪的影响程度，虽比青岛胶州湾大桥大一些，但与杭州湾跨海大桥相仿，仅海水深度稍大一些。渤海海峡的海洋地质环境适合修建南桥北隧跨海通道，南桥以地震烈度8度设防，并能抗12级或以上台风及相应浪流，修建桥墩尽量避开断裂带。砣矶岛面积较大，其以南平均水深仅20 m，是首选的桥隧连接地点。以自然和地质条件为基础，重点考虑桥型以及主塔结构对于渤海海峡的适应性，悬索桥或斜拉桥最为适合作为跨海大桥主通航桥的设计方案。相关文献指出琼州海峡采用悬索桥也是比较适合的方式。

两处若采用大桥作为通道，可以借鉴日本濑户大桥及明石海峡大桥的修建经验。需要像日本濑户大桥及明石海峡大桥一样，提前并严格做好调研。与工程相关的各学科，需进行全面的审议、论证，对耗资、工期、经济上的妥当性，各种施工方案的优劣等进行专门的探讨。建议借鉴日本濑户大桥建设方案经验，根据琼州、渤海海峡的地区特殊性采取因地制宜施工方案和针对性设计，且根据不同的结构构造采取合理的施工方法相互结合。在抓施工进度与质量的同时，探讨影响环境最小的最佳施工方案、新型材料，保证附近环境没有被污染，生态环境不受到较大影响。