渤海海峡跨海通道工程建设前期研究与建议

刘建友，卢春房，赵巧兰，董入凯

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055; 2.中国工程院战略咨询中心,北京 100088;3.中国铁道学会,北京 100844; 4.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

19世纪以来,随着世界经济发展和科技进步,跨越海峡的固定式通道(公路或铁路)建设不断取得新突破,创造了“天堑变通途”的辉煌成就。在世界诸多海峡地区,都能看到跨海通道工程的丰碑。这些跨海通道工程,不仅提供了便捷高效的交通运输方式,而且成为当地标志性建筑和旅游景观。

纵观世界跨越海峡通道发展历史可以看出,跨海通道把本国大陆与离岛连成一体,使国与国、洲与洲互联互通,发挥着极其重要的作用。鉴于此类工程的复杂性、艰巨性和重要性,各国都是着眼于国家经济社会发展长远目标,作出重大战略决策。跨越海峡通道可以采用桥梁工程,也可以采用隧道工程或者桥隧结合工程,还可以创造新结构形式。这需要进行全面深入的调查研究,对多个方案进行技术经济综合比较,作出正确抉择。

我国在跨越长江、黄河和海湾地区修建桥梁、隧道工程已有成功经验,今后将面临跨越琼州、渤海、台湾三大海峡通道建设的严峻挑战。渤海海峡通道是我国综合立体交通网规划中南北沿海大通道的重要组成部分[1-2],是联系东北与华东地区的重要纽带,通道建成后可从根本上改变环渤海地区既有陆路、航空及轮渡运输系统在运输质量、效率、能力等方面的不足[3],破解东北地区进出关地理瓶颈,优化区域国土空间布局,推动东北全方位振兴,促进京津冀和环渤海地区经济协同发展[4]。

近年来,我国在交通基础设施建设领域飞速发展,已具备修建渤海海峡通道技术和装备条件。为推进“十九大”提出的交通强国建设[5],遵循交通强国的指导思想和发展目标,中国工程院2019年立项了重大咨询项目《琼州、渤海海峡通道工程前期战略研究》,开展两个海峡通道前期战略研究。本文在对国内外跨海工程、跨海技术等进行广泛调研及总结分析的基础上,针对渤海海峡通道的建设必要性进行分析,展望未来建设前景,并提出通道建设建议,为渤海海峡通道的论证、决策和实施提供建议。

1 跨海通道研究概况

渤海是我国最大的内海,南北长约560 km,东西宽约300 km,海域总面积7.7万km2,从辽东半岛沿海岸到胶东半岛,三面大陆环绕状如英文字母“C”。辽东半岛南端老铁山角与胶东半岛蓬莱登州头之间的峡湾海域称为渤海海峡,海峡两端最短距离约106 km,在海峡中散布着众多岛屿,将海峡分割出十余条水道,平均水深25 m,最大水深(老铁山水道)约86 m。渤海海峡横亘在两大半岛之间,既是外海进入渤海的海上必经通道,又是我国南北陆路交通的天堑。

中共中央、国务院2021年印发的《国家综合立体交通网规划纲要》(以下简称“《纲要》”)提出,到2035年要建成70万km“4极、6轴、7廊、8通道”的立体交通线网。渤海海峡跨海通道是“4极、6轴、7廊、8通道”国家综合立体交通网主骨架中“京哈走廊”支线沈阳至青岛的重要组成部分,也是我国中长期铁路网规划“八纵八横”高速铁路网沿海通道的重要组成部分。

目前,渤海海峡通道有铁路轮渡、客滚运输、航空等3种运输方式,其中烟大铁路轮渡每日开行3对货物列车,每年单方向最大运输能力为300万t,2018年双向渡运货物487万t;客滚运输有6条航线,客滚船舶25艘,2018年渡运旅客438万人次、汽车140余万次;航空主要服务于中长途通过旅客,2018年主要航段旅客交流约3538万人次。渤海海峡跨海通道中尚无铁路、公路直达运输,均需绕行津冀地区,但铁路项目已纳入国家中长期铁路网规划[5-6]。

自1992年山东省最初提出渤海海峡跨海通道设想以来,国家发改委、国铁集团、中国工程院等多部门,以及众多专家学者对通道规划和建设方案等进行了大量研究[7-9]。

1992—2009年,烟台市政府、原国家计委、国务院研究室、原国家科委、原铁道部、原交通运输部等单位组成渤海海峡跨海通道研究课题组,开展了渤海海峡东通道——“烟(台)大(连)铁路轮渡、渤海海峡西通道——蓬(莱)旅(顺)通道等工程的研究工作。

2009—2012年,国家发展改革委基础产业司立项《渤海海峡跨海通道战略规划研究》课题,由交通运输部规划研究院、中国铁路经济规划研究院、国家发展改革委综合运输研究所等单位组成了5个分课题组,对工程的必要性、可行性、经济合理性和工程风险进行初步研究。该课题较为全面地梳理了建设条件,提出了除老铁山水道外渤海海峡各航道通航的初步意见,并基于通航初步意见提出了各水道主桥的桥跨和桥型方案、引桥方案和深水基础方案。提出了“北隧南桥”组合方案,线路起于老铁山西角,以隧道形式穿越老铁山水道,公路通道的隧道出口在北隍城岛,接公路桥梁至大钦岛,铁路隧道出口在大钦岛,然后公、铁通道合并采用桥梁方案,经砣矶岛、大黑山岛,在蓬莱的烽火台登陆。初步提出渤海海峡通道海底隧道较适合的施工工法有机械开挖法(TBM法和盾构法)和矿山法,单建铁路横断面采用四孔单线隧道+服务隧道方案,公铁合建采用公路隧道和铁路隧道分开建设。通过对修建渤海海峡隧道技术可行性初步分析,认为技术上总体可行,公铁合建匡算总投资约6 861亿元,总工期预计12～15年,建议2025年前后开工建设,2037—2040年建成。

2011—2013年,中国铁路经济规划研究院牵头,组织中国铁路设计集团有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中铁大桥勘测设计院集团有限公司组成课题组,对桥隧工程关键技术进行了研究,本次研究的总体方案沿用了2009年国家发展改革委的成果,即采用“北隧南桥”组合方案,桥梁建议采用连续多跨2 000～3 000 m的桥梁,隧道推荐采用双洞单线、盾构法施工,最小岩石覆盖层厚度建议为20～42.5 m。运输模式建议采取建设铁路通道并驼背运输兼顾公路通道的模式,铁路通道建设工程投资约2500亿元,建设工期12～15年,建议2025年开工建设。

2012—2014年,中国工程院立项重点咨询项目“渤海海峡跨海通道战略规划研究”课题,由北京交通大学、鲁东大学、铁道部工程设计鉴定中心、中铁隧道集团有限公司组成课题组,对通道建设必要性与紧迫性、桥隧方案比选、隧道方案、风险评估与控制等进行研究,得出单从技术角度考虑,桥隧方案都具有实施的可行性,渤海海峡跨海通道采用全隧方案为最优的结论。同时,建议采用单建铁路隧道形式,汽车通过驼背运输解决,断面采用双洞单线+服务隧道的形式等;认为“连岛方案”线位较优,隧道长122 km,在老铁山岸边、北隍城岛、北长山岛和蓬莱岸边各设一处通风竖井,并且尽可能减小隧道断面,施工采用TBM法+钻爆法,服务隧道可作为超前导洞先施工等结论;隧道最小埋深约80 m,纵断面采用W形,最大坡度可用18‰;工程投资约2 200亿元。

2019年初,笔者在中国工程院申请立项了“琼州、渤海海峡通道工程前期战略研究”重大咨询项目。该项目由中铁工程设计咨询集团有限公司组织,与中国铁路总公司、中国铁路设计集团有限公司、中铁二院工程集团有限责任公司、中国铁路经济规划研究院、中交公路规划设计院有限公司、中国铁道科学研究院集团有限公司、中国国际工程咨询公司、中铁大桥勘测设计院集团有限公司、清华大学、同济大学、中南大学、北京交通大学、西南交通大学、中铁大桥局集团有限公司、中铁十一局集团有限公司等单位组成项目组开展研究。该项目针对琼州和渤海两个海峡通道工程的建设必要性、建设时机、建设方案、运维方案、经济效益评价等内容开展前期研究,经过两年多的广泛调研、资料收集、现场踏勘、案例分析、与相关方进行沟通及专家论证,制定了安全、科学、经济的通道建设方案,构建了基于建、管、养一体化协同管理体系的智能运维方案,提出了跨海通道建设时机的建议。

2 跨海通道建设必要性

建设渤海海峡通道将彻底改变海峡南北两岸主要依靠水上运输的状况,形成骨干作用明显的“全天候综合运输大通道”,同时在工程技术领域有望实现重大创新突破,为我国实现由交通大国向交通强国的历史性跨越发挥先导作用[10-11]。从运输需求看,现状东北与山东及以远地区之间的客货运输仍然主要依靠山海关通道。现有山海关通道铁路客货运力虽然能满足近期运输需求,但根据预测,仅客运能力缺口到2040年就将达2 200万人/年。

建设渤海海峡通道,将改善区域内资源流通关系,重塑区域经济格局,促进产业结构调整和升级,助推“京津冀协同发展”战略实施,强化京津冀、山东半岛、辽东半岛乃至长三角区域等板块间联通性。

建设渤海海峡通道,将重塑渤海湾地理格局,将辽东半岛和山东半岛从地理格局上的“软连接”转变为“硬连接”。同时,通道建设对减少天气及环境因素对跨海通行制约、提升跨海运输安全具有重要作用。

建设渤海海峡通道,将提升我国环渤海交通运输效率,大幅度减少海峡两岸客货运输的能耗和碳排放,经初步测算,每年可节约燃油100余万t,减少碳排放800余万t,有利于我国碳中和目标的实现。

3 跨海通道建设方案

跨越渤海海峡通道交通方式有单建公路、单建铁路、公铁合建三种。由于跨海通道建设条件复杂、工程投资巨大,且公路存在长隧道运营通风困难、桥梁无法实现全天候运营等问题;而铁路具有运输速度快、运输能力大、单位运量运输成本低、工程技术难度低且投资相对小等优点,且铁路已经纳入国家中长期铁路网规划研究项目。为有效减少初期投资,尽快实现海峡两岸“硬连接”,发挥通道运输效益,建议通道先期建设铁路通道,预留公路通道,采用客货混运的运输组织方式,客车速度目标值为250 km/h,货车牵引质量5 000 t。

通道跨越渤海海峡有全桥、全隧、南桥北隧3种方式。全桥方案可以多点施工,建设周期相对较短,无特长隧道通风难题,乘车视野开阔、舒适性好,便于养护维修及防灾救援,但全桥方案运营期受台风、暴雨、大雾等恶劣气候影响较大,不能保证全天候运营[12-13];对海洋及岛屿环境、蓬莱阁及海市蜃楼奇观影响大;老铁山水道桥址处最大水深达到80 m以上,深水基础施工难度大,风险高;老铁山水道是大型船舶的主要进出水道,船舶进出繁忙,通过能力紧张,建桥将进一步降低其通航能力;以桥梁方式穿越老铁山水道,建设期及运营期均会干扰日常航运活动[14-16]。综合分析,以桥梁方式跨越老铁山水道,除技术难度大以外,在环境与生态、通航等方面均存在一些较大问题,故全桥方案不适合渤海海峡通道。根据渤海海峡建设条件,在单建铁路模式下,全隧方案和南桥北隧方案静态投资分别为1 179.4亿元和1 603.5亿元,全隧方案具有对生态环境影响破坏少、对长山水道等航道通航无影响、铁路平纵断面条件好、工程投资小等优点,优势较为明显,故推荐采用全隧方案。全隧方案与南桥北隧方案对比如表1所示。

表1 全隧方案与南桥北隧方案对比

全隧方案通道位置主要有经大黑山岛、经庙岛、经小竹山岛、经长山岛4个方案[17]。全隧方案通道位置对比如表2所示,平、纵面示意分别如图1、图2所示。各方案比选如下。

图1 全隧方案通道位置平面示意

表2 全隧方案通道位置对比

(1)经大黑山岛方案海域线路起自旅顺老铁山中部,自北向南经北隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、大黑山岛,于蓬莱端人工岛西登陆,海域线路长度约116 km。该方案所经区域第四系覆盖层相对较薄;距离郯庐大断裂更近,断层发育,地震事件频发[18];海底隧道长度最长,但沿线经过岛屿较多,施工难度相对较小。

(2)经庙岛方案海域线路起自旅顺老铁山中部,自北向南经北隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、庙岛,于蓬莱端人工岛东登陆,海域线路长度约112 km。该方案所经区域第四系覆盖层厚度不均,基岩面起伏较大;地震条件一般;海底隧道沿线经过岛屿较多,施工难度相对较小。

(3)经小竹山岛方案海域线路起自旅顺老铁山中部,自北向南经北隍城岛、小钦岛、大钦岛、车由岛、小竹山岛,于蓬莱端东港登陆点登陆,海域线路长度108.5 km。该方案所经区域第四系覆盖层相对较厚;附近地震事件较多,构造发育,岩体破碎;海底隧道长度最短,但沿线经过岛屿较少,南段经过的车由岛、小竹山岛岛屿面积小,施工难度大。

(4)经长山岛方案海域线路起自旅顺老铁山中部,自北向南经北隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、南长山岛,于蓬莱端人工岛东登陆,海域线路长度约110.5 km。该方案符合铁路通道客货流规划,且通道较顺直,线路长度较短;且沿线未见活动断裂出露,经过岛屿较多,海底隧道长度相对较短,施工难度相对较小。

综合分析各通道位置的优缺点,推荐采用经长山岛方案,利用沿线岛屿设置地下车站、紧急救援站和紧急出入口,并在两岸及北隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、南长山岛设置通风竖井。

隧道采用以掘进机法为主、局部断层破碎带辅以钻爆法相结合的施工方法。隧道断面采用两孔单线行车隧道+一孔服务隧道型式,横断面如图3所示。

图3 隧道横断面(单位:mm)

4 跨海通道建设可行性

(1)技术可行性

根据已掌握资料对比国内外其他类似跨海工程,渤海海峡地形地貌、气象水文、工程地质、水文地质、地震、航道、环境与生态等各方面条件,对通道建设均无颠覆性影响,不构成否定因素。

研究推荐渤海海峡通道先期建设铁路双线(规划预留公路通道),客货混运(预留驮背运输条件),客车速度目标值为250 km/h,货车牵引质量5 000 t[19]。推荐通道以全隧方式穿越渤海海峡,隧道断面采用两孔单线行车隧道+一孔服务隧道型式,主要采用掘进机法进行施工。通道平面位置推荐采用经长山岛方案,通道全长约183 km,其中海域线路长度110.5 km。

对比国内外大量已经成功建设并顺利投入运营的海底隧道,渤海海峡通道建设条件较为适宜,且无论从施工技术还是从结构安全上来看,均有大量类似工程成功经验可借鉴。此外,隧道修建技术正向着机械化、智能化方向发展,隧道施工安全及施工效率可以保证。

(2)经济可行性

推荐方案渤海海峡通道预估总投资为1371.8亿元,其中静态投资1 179.4亿元(烟台端陆上工程部分54.5亿元,大连端陆上工程部分92.3亿元,跨海隧道工程部分1 032.6亿元)。按资本金比例80%计,项目投资税前财务内部收益率为1.57%。

初步测算,渤海海峡通道建设期投资将拉动当地国民经济生产总值增长1 142.32亿元,可为应对我国经济下行风险和国际经济不确定性做出贡献。通道建设社会经济效益巨大,建成后在节约运输时间、降低运营成本、减少交通事故等方面可增加4 714.33亿元以上直接社会经济效益,同时可节约土地资源、增加创造就业机会。

渤海海峡通道工程具有“准公共产品”性质,最直接的受益者是国家、山东省和辽宁省。按照“谁受益、谁出资”的原则,主要资本金宜由国家和两省承担,并由政府主导项目实施。同时,以市场手段,广泛吸纳社会投资,形成多元投资格局。

5 结论与建议

渤海海峡通道是我国综合立体交通网规划中南北沿海大通道的重要组成部分,建成后将促进区域经济发展。近年来,我国在交通基础设施建设领域飞速发展,已具备修建渤海海峡通道技术和装备条件。本文在系统梳理国家和相关省市、有关部门在渤海海峡通道研究中积累成果基础上,对渤海海峡通道建设必要性、建设条件、建设方案、运维方案开展系统研究,对海峡通道经济、技术、环境影响进行综合评价,提出建设渤海海峡通道建议如下。

(1)成立机构

尽快成立渤海海峡通道公司或筹备组,负责组织项目前期筹备工作和关键技术攻关研究工作;深入开展渤海海峡通道设计、施工和运维技术专题研究,深化隧道工程方案论证,为工程建设创造条件;深入研究投融资模式、运营方案、综合开发方案等内容,为增加项目效益提供保障。

(2)建设时机

对既有山海关铁路与烟大铁路轮渡的预测运量能力适应性分析可知,到2035年山海关陆路通道客货能力接近饱和,到2050年烟大铁路轮渡客货运输能力将不能满足运输需求。考虑到10年左右的建设工期,建议渤海海峡通道在2025年以后适当时机开工建设。

(3)融资模式

世界同类工程主要采用BOT模式和政府出资两种模式,其中英法海底隧道采用了BOT模式、日本青函海底隧道采用了政府出资模式。政府出资模式一般由中央政府专项建设基金、地方政府财政性资金等作为资本金,其余资金一般采用银行贷款,政府前期出资压力较大,但政府对项目建设和运营管理监管的可靠性高;BOT模式中,社会资本占大头,其余为政府出资,可在一定程度上缓解政府在项目前期的资金压力,但不利于政府对项目全过程实施有效管控。因此,建议渤海海峡跨海通道建设资本金以政府资金为主、社会资本为辅的融资模式;若从缓解政府资金压力的角度出发,也可研究PPP模式作为融资模式的基础框架,但若采用PPP模式,则在资金比例和职能划分上应确立政府在项目公司中的主体地位。

(4)建设理念

跨海通道建设工程应遵循“以人为本、安全可靠、低碳环保、智能高效”的建设理念。

跨海工程的决策和方案设计都应遵循以人为本的原则。跨海工程具有距离长、周边环境复杂、防灾救援疏散困难等特点,工程建设和运营过程中一旦出现事故,将会对人民生命财产造成不可估量的损失,因此,以人为本、安全可靠是跨海工程建设的基本理念,必须贯穿跨海工程勘察、设计、施工和运维的全寿命周期。

全球变暖是人类行为造成地球气候变化的后果,环境问题是人类面临的重大而紧迫的全球性问题,实现碳达峰、碳中和是各行各业的共同目标。交通工程建设规模大、消耗多,是碳排放的重要来源,尤其是长大跨海工程。因此,在跨海工程设计、施工和运营中,遵循低碳环保的建设理念,是时代的要求。

随着信息化、智能化技术的发展,一种全新的无人化、少人化工程建设场景逐渐展现在人们眼前。跨海工程面临深水地质勘察、长距离隧道施工、海底长大隧道防灾救援疏散等技术难题,采用智能勘察、智能设计、智能施工和智能运维技术,实现工程建设运营智能化是解决这些技术难题的有效途径。

(5)建设方案

经过多方案比较,建议渤海海峡通道先期建设铁路双线(预留公路通道),采用客货混运的运输组织方式,客车速度目标值为250 km/h,货车牵引质量5 000 t。通道平面位置建议采用经长山岛方案,跨海通道自大连枢纽大连北站引出,经旅顺老铁山中部,自北向南经北隍城岛、小钦岛、大钦岛、砣矶岛、南长山岛,于蓬莱端人工岛东登陆后引入蓬莱站,通道全长约183 km,其中海域线路长110.5 km。建议以全隧道方式穿越渤海海峡,隧道采用以掘进机法为主、局部断层破碎带辅以钻爆法相结合的施工方法。隧道断面采用两孔单线行车隧道和一孔服务隧道型式。

(6)运维方案

渤海海峡隧道需统筹考虑隧道建造及运维需求,结合紧急救援站建立风险防范体系和防灾减灾救援体系;针对隧道结构状态和环境,建立全生命周期隧道结构及环境监测系统;基于“预防为主,防治结合”原则,进行隧道“预防修”和“状态修”;通过“BIM+GIS”和海量信息,实现渤海海峡隧道智能运维。

(7)地质勘查

渤海海峡宽度大,地质条件复杂,目前海峡工程的地质勘察成果尚不能满足工程研究和工程设计的要求,建议尽快开展海峡工程前期地质勘察工作,系统查明海峡的工程地质情况。

(8)关键技术专题研究

渤海海峡最大水深86 m,第四系覆盖层薄厚不均、岩性多样、构造发育,地质条件复杂。推荐全隧道方案隧道长度达128 km,其中老铁山水域隧道长42 km,需要解决高水压、长距离掘进、多模式掘进机设备研制、超长隧道运营通风等技术难题,建议开展“高水压下超长海底隧道防灾、疏散救援、通风及环境控制关键技术”专题研究。