劉子忠, 杜潤(rùn)杰, 張志宇

(北京九州動(dòng)脈隧道技術(shù)有限公司， 北京 100044)

0 引言

渤海是我國(guó)的內(nèi)海，它北鄰遼寧，西接河北、天津，南連山東，三面為大陸環(huán)抱，東面出口處有山東半島和遼東半島南北相望，形狀與英文字母C相似[1]。而位于遼東半島與山東半島中間的渤海海峽，是阻隔我國(guó)華東地區(qū)與東北地區(qū)交通的天塹。

由于渤海海峽的存在，導(dǎo)致原本彼此距離很近的煙臺(tái)和大連(最短直線(xiàn)距離僅為109 km)往返的鐵路和公路只好繞行山海關(guān)，多走1 000 km[2]，極大地阻礙了兩地之間的直接交流。

因此，從山東蓬萊經(jīng)長(zhǎng)島到遼寧大連、旅順，建設(shè)一條跨越渤海海峽的直達(dá)快捷通道，將有缺口的“C”形交通變成便捷的“D”形交通，化天塹為通途[3]，是許多人夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。通道的建成，對(duì)東北地區(qū)和華東地區(qū)的經(jīng)貿(mào)聯(lián)系，對(duì)全國(guó)乃至整個(gè)東北亞的地緣格局都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

多年來(lái)，王夢(mèng)恕院士在《渤海海峽跨海通道戰(zhàn)略規(guī)劃研究》[4]、孫鈞院士在《對(duì)興建渤海海峽跨海通道有關(guān)問(wèn)題的思考》[5]、孫東琪等在《渤海海峽跨海通道客貨流量預(yù)測(cè)分析》[6]、劉良忠等在《國(guó)內(nèi)外跨海通道的比較及啟示》[7]中，對(duì)國(guó)內(nèi)外跨海通道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、水下隧道技術(shù)難題及渤海海峽橋隧組合方案、渤海海峽跨海通道經(jīng)濟(jì)性分析等方面進(jìn)行了深入研究，對(duì)本文的研究具有較好的理論借鑒意義。

與前人研究方案不同的是，本方案希望通過(guò)對(duì)超長(zhǎng)海底真空管道的研究，為今后超長(zhǎng)跨海通道的建設(shè)提供一個(gè)新的思路。

1 渤海海峽自然及地理?xiàng)l件

渤海海峽位于山東半島和遼東半島之間(見(jiàn)圖1)，北起遼東半島最南端的老鐵山角，南至山東半島最北端的蓬萊角，是連接渤海與黃海的水流通道。海峽南北兩端最短距離約106 km，海底地勢(shì)總體上為北深南淺，平均水深約25 m，最大水深約86 m[8]。

圖1 渤海海峽平面圖

渤海海峽為暖溫帶季風(fēng)氣候，屬臺(tái)風(fēng)影響區(qū)，大風(fēng)可達(dá)12級(jí)以上。年霧日15～37 d，以6—7月最多。渤海屬華北地震區(qū)，是我國(guó)強(qiáng)震最為活躍的海域之一。通過(guò)對(duì)環(huán)渤海地區(qū)地震學(xué)參數(shù)等綜合分析，認(rèn)為渤海海峽及鄰區(qū)有發(fā)生 5 級(jí)以上地震的異常背景。這些研究可為渤海海峽跨海通道的建設(shè)，尤其是線(xiàn)路的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 渤海海峽跨海通道真空水下橋建設(shè)思路

2.1 真空管道方案簡(jiǎn)介

限制地面高速交通工具達(dá)到最高速度的根本原因是稠密大氣，因此克服氣動(dòng)作用是地面高速交通的主要任務(wù)，包括： 1)氣動(dòng)阻力隨速度的平方而上升； 2)速度噪音隨速度的7次或8次方而急增。這是任何形式的交通工具都無(wú)法避免的客觀(guān)規(guī)律[9]。真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)旨在通過(guò)鋪設(shè)于海底的管道內(nèi)運(yùn)用真空技術(shù)，使在管道內(nèi)運(yùn)行的真空飛行巴士不受空氣阻力的影響，得以獲得更高的運(yùn)行速度。且由于隧道內(nèi)的阻塞比增大，隧道截面可以做得很小，從而大幅降低了整條線(xiàn)路的建設(shè)成本。這對(duì)渤海海峽跨海通道這樣的長(zhǎng)大干線(xiàn)是極為重要的。

真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)(國(guó)外稱(chēng)“Hyper Loop”)為第5代交通工具運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含3大關(guān)鍵技術(shù)，分別為水下橋技術(shù)、真空飛行巴士技術(shù)、真空技術(shù)。此外，真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)還有6大配套技術(shù)，包括牽引供電技術(shù)、電磁道岔技術(shù)、運(yùn)行控制技術(shù)、換乘技術(shù)、救援逃生技術(shù)和水下施工技術(shù)。從技術(shù)譜系上來(lái)看，真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)與高鐵系統(tǒng)一樣，屬于綜合運(yùn)輸體系，具備長(zhǎng)大干線(xiàn)的運(yùn)輸能力。本文以土建技術(shù)為主，將在后續(xù)章節(jié)詳述水下橋技術(shù)，其他的配套技術(shù)不再展開(kāi)將另文研究。

2.2 水下橋技術(shù)介紹

水下橋技術(shù)為整個(gè)系統(tǒng)提供運(yùn)輸通道載體，概括起來(lái)就是將預(yù)制好的管段式梁體高架在海底海床上，如圖2所示。該技術(shù)借鑒了傳統(tǒng)橋梁施工工法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工快捷、安全性高、兼顧通航性等特點(diǎn)。

圖2 真空管道原理示意圖

水下橋結(jié)構(gòu)的管段結(jié)構(gòu)體積小，質(zhì)量輕，可以開(kāi)發(fā)一種水下架橋機(jī)快速地進(jìn)行對(duì)接安裝。水下架橋機(jī)能夠沿著已經(jīng)安裝完成的管段行進(jìn)，穩(wěn)定性好，不容易受到海面風(fēng)浪或者其他因素的干擾。

水下橋基礎(chǔ)的功能發(fā)生了質(zhì)的改變。水下橋基礎(chǔ)是淺埋于海床之下或者微露出海床，與跨海大橋的樁基礎(chǔ)相比，工程量和工作難度都要小很多。一般來(lái)說(shuō)，橋梁基礎(chǔ)的作用主要是定位和支撐，但是因?yàn)樗聵蚬芏谓Y(jié)構(gòu)利用水的浮力平衡掉了絕大部分的重力，其基礎(chǔ)功能發(fā)生了變化，主要作用變成了錨固作用。

水下橋結(jié)構(gòu)相對(duì)更安全可靠。水下橋結(jié)構(gòu)緊貼于海床或者淺埋，能夠保證在正式運(yùn)營(yíng)的時(shí)候，不影響水域原航道的通航能力，更不會(huì)對(duì)飛機(jī)的航行造成干擾。此外，水下橋結(jié)構(gòu)相對(duì)于水上橋跨結(jié)構(gòu)還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，就是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不受天氣的影響，能夠保證通行的時(shí)效性；且水下橋結(jié)構(gòu)露出水面的部分是弧形的拱面，能夠使主體結(jié)構(gòu)減輕或者免受船只拖錨造成的損害。為了保證線(xiàn)路的平順性，有部分主體結(jié)構(gòu)會(huì)懸浮在海床之上，這時(shí)可以在管段的兩側(cè)插打防護(hù)管樁甚至鋼板樁，保證其不受外力損毀。

水下橋主體結(jié)構(gòu)的制作是在地面預(yù)制場(chǎng)完成的，質(zhì)量更容易得到保證。相比現(xiàn)場(chǎng)施工的盾構(gòu)管片，接頭要少很多，且施工區(qū)域都位于海床表層，地質(zhì)情況容易探明，可以采取各種措施更好地防止漏水發(fā)生，杜絕類(lèi)似日本青函隧道施工過(guò)程中的嚴(yán)重透水事故(先后發(fā)生4次大的出水事故，最高出水量達(dá)80 t/min，連續(xù)出水50 d，70多m長(zhǎng)的坑道被淹沒(méi))，施工的風(fēng)險(xiǎn)要小很多。

水下橋方案單公里建設(shè)成本穩(wěn)定，一般情況下不會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而大幅上升，像中韓日海底隧道、渤海通道、臺(tái)海通道都可以采用本方案進(jìn)行建設(shè)實(shí)施。

綜上所述，水下橋是一種新型的跨海通道建設(shè)模式，代表先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向，是一種更加經(jīng)濟(jì)高效的通道方式，將會(huì)為超長(zhǎng)距離跨海通道領(lǐng)域帶來(lái)新的變革。

3 通道方案對(duì)比

3.1 線(xiàn)位方案對(duì)比

由于橋梁方案并不適合長(zhǎng)距離跨海通道的建設(shè)，因此，渤海海峽跨海通道建設(shè)方案應(yīng)以隧道方案為主。以下對(duì)全隧道連島鐵路工程方案與水下橋方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1.1 線(xiàn)路的平面比選

鐵路隧道方案國(guó)內(nèi)已有多年的研究。鐵路隧道的優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)量大，且鐵路的組織性強(qiáng)、安全性高、施工截面比公路隧道小，更適合長(zhǎng)距離的通道運(yùn)輸，可以與全國(guó)高鐵組網(wǎng)。目前，渤海海峽主流的方案是全隧道連島鐵路工程方案。如王夢(mèng)恕院士于2013年發(fā)表的《渤海海峽跨海通道戰(zhàn)略規(guī)劃研究》中提出采用從旅順老鐵山到蓬萊東港的連島線(xiàn)路方案，線(xiàn)路總長(zhǎng)125 km[4]，考慮到線(xiàn)路接駁，陸上線(xiàn)路需新建，線(xiàn)路實(shí)際總長(zhǎng)約240 km。

如圖3所示,水下橋線(xiàn)路總長(zhǎng)173.5 km，其中海中段137 km，單管雙線(xiàn)；陸地段共計(jì)36.5 km，單管單線(xiàn)。南部煙臺(tái)設(shè)煙臺(tái)開(kāi)發(fā)區(qū)站、煙臺(tái)站2個(gè)站，在近海處會(huì)合后，水平方向直線(xiàn)穿越渤海海峽抵達(dá)大連小平島西站，接駁大連機(jī)場(chǎng)與大連北站。

渤海海峽及其兩岸的斷裂較為發(fā)育，主要是郯廬斷裂帶，在渤海南部海域郯廬斷裂主要分為2支：NWW向張家口—蓬萊斷裂帶、渤海中部及南部海域內(nèi)的NW向斷裂，都被認(rèn)為是張家口—蓬萊斷裂帶的次級(jí)斷裂。它們控制了海域內(nèi)的次級(jí)構(gòu)造凸起和凹陷，并在渤海中部切過(guò)郯廬斷裂帶。

近500年渤海地區(qū)發(fā)生的4級(jí)及以上的地震分布如圖4所示。通過(guò)對(duì)環(huán)渤海地區(qū)地震學(xué)參數(shù)等綜合分析，認(rèn)為渤海海峽及鄰區(qū)有發(fā)生5級(jí)以上地震的異常背景。預(yù)測(cè)結(jié)果為： 膠東北部海域?yàn)?級(jí)地震集中區(qū)且邊緣有發(fā)生4.5級(jí)左右地震的可能；唐山老震區(qū)仍有發(fā)生5級(jí)左右地震的可能；海城老震區(qū)5.4級(jí)地震后地震活動(dòng)水平呈下降趨勢(shì)，小震活動(dòng)頻繁，但無(wú)明顯地震異常[10]。渤海海峽綜合等震線(xiàn)如圖5所示。鐵路連島工程線(xiàn)路方案需穿越2組主要的NWW向斷裂構(gòu)造帶以及島上一系列小的斷裂構(gòu)造帶，存在安全隱患。

圖3 渤海海峽跨海工程線(xiàn)位對(duì)比

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

圖4 近500年渤海地區(qū)中強(qiáng)震(M≥4)分布

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

圖5 渤海海峽綜合等震線(xiàn)圖[11]

由圖3—5可知，鐵路連島線(xiàn)路及其陸上接駁方案需要修建的線(xiàn)路很長(zhǎng)，而水下橋方案的線(xiàn)路則相對(duì)較短，在工期、造價(jià)、施工風(fēng)險(xiǎn)方面更有優(yōu)勢(shì)；其次，在地震避讓方面，水下橋方案的線(xiàn)位選擇更加合理。

水下橋方案建議的登陸點(diǎn)，分別位于煙臺(tái)和大連。煙臺(tái)的登陸點(diǎn)建議選擇在濱海西路北側(cè)，大連的登陸點(diǎn)建議選擇在小平島西側(cè)，具體位置如圖6和圖7所示。

圖6 煙臺(tái)登陸點(diǎn)

選擇這2個(gè)地方作為登陸點(diǎn)能夠使海底隧道距離較短，經(jīng)過(guò)的海域海床地勢(shì)較為平坦，海域深度最多65 m(連島工程海域最深處約86 m)，而且這2點(diǎn)的直連海底線(xiàn)路能夠很好地避開(kāi)地震高烈度區(qū)域。

圖7 大連登陸點(diǎn)

在煙臺(tái)市的濱海西路北側(cè)登陸能夠很方便地與煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和煙臺(tái)站接駁，到經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)線(xiàn)路長(zhǎng)度為4.8 km，到煙臺(tái)站線(xiàn)路長(zhǎng)度為6.5 km，能夠使乘客便捷地到達(dá)出行目的地或者中轉(zhuǎn)站。

大連端的登陸點(diǎn)位于小平島西側(cè)，同時(shí)設(shè)置小平島西站。小平島距大連市金融商務(wù)區(qū)——星海灣廣場(chǎng)僅有9 km，距機(jī)場(chǎng)18 km，距旅順28 km，毗鄰全國(guó)著名的大連軟件園，是大連市政府規(guī)劃的信息產(chǎn)業(yè)帶龍頭地段。

由于煙臺(tái)和大連兩地的登陸點(diǎn)均離市區(qū)較近，因此接駁方式也大為簡(jiǎn)化。人們可以換乘城市公共交通或者既有的軌道交通工具前往市區(qū)。當(dāng)然，也可以將真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)延伸至市區(qū)主要交通樞紐，從而更好地與城市公共交通體系兼容。

3.1.2 線(xiàn)路的縱斷面對(duì)比

鐵路連島工程線(xiàn)路采用18‰的最大坡度方案，隧道最小埋深約80 m。復(fù)雜條件下深埋長(zhǎng)大隧道主要的地質(zhì)災(zāi)害有高應(yīng)力、高地溫、涌(突)水等，如法國(guó)仙尼斯峰隧道、日本青函隧道等，其中青函隧道修建過(guò)程中，曾遇到4次大出水事故。為了減小海底隧道運(yùn)營(yíng)期間襯砌受到的水壓力，減少病害，且考慮隧道的排水系統(tǒng)，隧道縱斷面采用W形，如圖8所示，海平面到隧道最低處的拱頂距離約為160 m。

圖8 渤海海峽隧道鐵路連島方案縱斷面[4] (單位： km)

渤海海峽跨海通道水下橋方案根據(jù)海峽海床標(biāo)高特點(diǎn)，沿著海床進(jìn)行水下橋施工，如圖9所示，在近岸處與陸地隧道進(jìn)行對(duì)接。

圖9 渤海海峽隧道真空管道方案縱斷面 (單位： m)

與鐵路連島方案相比，雖然2個(gè)方案都不會(huì)影響通航，但水下橋方案通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)可以使施工難度降低，避免連島方案中的隧道施工突水風(fēng)險(xiǎn)，并且水下橋方案可以在水下與盾構(gòu)隧道進(jìn)行對(duì)接，利用海床標(biāo)高，整體線(xiàn)路坡度合理，同時(shí)保證了隧道坡度的緩慢過(guò)渡。鐵路連島方案選擇坡度為18‰，與水下橋方案最大坡度2‰相比，水下橋方案線(xiàn)路的坡度平順性更好，更加適用于軌道交通工程。

因此，建設(shè)水下橋是較理想的方案，此方案可實(shí)現(xiàn)： 1)不受臺(tái)風(fēng)、暴雨、大霧等惡劣氣候影響，實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)營(yíng)； 2)運(yùn)營(yíng)期間隧道實(shí)現(xiàn)全封閉，不會(huì)出現(xiàn)漏水、滲水現(xiàn)象； 3)充分利用海底地形地貌特點(diǎn)進(jìn)行方案選擇，依據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇不同的基礎(chǔ)，降低整體施工的難度與風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 通道斷面形式對(duì)比

鐵路連島線(xiàn)路方案采用“雙洞單線(xiàn)+服務(wù)隧道”斷面方案，內(nèi)凈空面積約為169.3 m2。如圖10所示，該方案可在施工中采用巷道式射流通風(fēng)，有利于施工安全，服務(wù)隧道可作為主隧道施工時(shí)的避難救援場(chǎng)所。但該方案運(yùn)營(yíng)采用常壓輪軌，橫截面積較大，超大斷面意味著需采用大型盾構(gòu)施工，并對(duì)施工過(guò)程中一系列配套設(shè)施與措施都有更高要求，工期更長(zhǎng)，施工風(fēng)險(xiǎn)更大。相對(duì)來(lái)說(shuō)，鐵路連島方案不是最佳選擇。

圖10 鐵路連島方案渤海海峽隧道橫斷面圖[4] (單位： m)

結(jié)合水下橋方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由于其內(nèi)部為低真空狀態(tài)，在管道內(nèi)運(yùn)行的車(chē)輛——真空飛行巴士在運(yùn)行過(guò)程中幾乎不受空氣阻力的影響，隧道內(nèi)的阻塞比可以很大，而管道自身的截面可以很小。因此，如圖11所示采用單洞雙線(xiàn)方案，內(nèi)凈空面積為30.68 m2，大大降低了隧道截面面積，從而降低了施工難度，縮短了工期。隧道內(nèi)有鋼結(jié)構(gòu)支撐作為加強(qiáng)，鋼結(jié)構(gòu)兩側(cè)分別為對(duì)行線(xiàn)路，其余空間為管線(xiàn)及其他輔助設(shè)施空間，施工時(shí)亦可作為臨時(shí)空間。隧道兩側(cè)壁厚700 mm，底部厚1 000 mm，在水中重浮比約為1.02。

圖11 渤海海峽真空隧道橫斷面圖 (單位： mm)

由2個(gè)方案的截面內(nèi)凈空面積對(duì)比可知，水下橋方案的截面面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鐵路連島方案，因此無(wú)論從施工難度、工期控制還是造價(jià)方面，水下橋方案都占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

3.2 建設(shè)成本對(duì)比

若按照真空磁懸浮水下橋方案進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，線(xiàn)路總長(zhǎng)173.5 km，隧道系統(tǒng)的造價(jià)約為356億元，隧道系統(tǒng)單公里造價(jià)約2.052億元。將真空水下橋方案的系統(tǒng)造價(jià)與近年來(lái)國(guó)內(nèi)其他的跨海域通道建設(shè)方案造價(jià)進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

表1 跨海域建設(shè)方案單公里造價(jià)對(duì)比

注： 水下橋方案目前尚沒(méi)有完整的工程實(shí)例可供參考，造價(jià)的預(yù)估可能會(huì)有偏差。

表1包括了常見(jiàn)的跨海域通道建設(shè)方案： 橋梁方案、隧道方案、沉管方案、橋隧混合方案，與這些方案相比，真空水下橋方案在線(xiàn)路單公里造價(jià)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。主要原因包括以下幾點(diǎn)。

1)總體規(guī)模?。?真空水下橋方案斷面比較小，只有鐵路盾構(gòu)隧道方案的1/5，施工費(fèi)用和材料費(fèi)用都比較少。

2)現(xiàn)場(chǎng)施工少： 真空水下橋方案是一種局部埋置的預(yù)制沉管結(jié)構(gòu)，水下清淤或者挖掘的工程量少，而且由于埋置不深，大部分挖槽工作的對(duì)象都是海床表層的淤泥質(zhì)土，可以采用吸泥船完成。

3)基礎(chǔ)造價(jià)低： 真空水下橋基礎(chǔ)功能由支撐作用變成了錨固作用，不再需要進(jìn)行大量的圍堰施工，大大降低了基礎(chǔ)的造價(jià)。

4)附屬結(jié)構(gòu)少： 真空水下橋充分利用了水的浮力，材料受力性能優(yōu)化很多，抵消了管道自身大部分的重力荷載，減少了不必要的浪費(fèi)，并且不需要通風(fēng)、照明、防火和排水設(shè)施，極大地節(jié)省成本。

3.3 施工方法對(duì)比

3.3.1 施工期間的難點(diǎn)和安全性對(duì)比

跨海通道的建設(shè)是一項(xiàng)浩大的工程，像煙臺(tái)—大連之間的連接通道，跨海距離長(zhǎng)達(dá)100多km，更是全世界前所未有的。這么長(zhǎng)的跨海通道，無(wú)論采用哪種方式都會(huì)面臨多種困難和風(fēng)險(xiǎn)，下面對(duì)3.2節(jié)中涉及的5種施工方法的難點(diǎn)進(jìn)行剖析。

1)鉆爆法： ①深水海底地質(zhì)勘測(cè)困難、造價(jià)更高、準(zhǔn)確性相對(duì)較低，因此若遇到未預(yù)測(cè)到的不良地質(zhì)情況，風(fēng)險(xiǎn)更大。②水下隧道施工的主要困難是突涌水，特別是斷層破碎帶處。③水下隧道的單口掘進(jìn)長(zhǎng)度很大，因此對(duì)施工期間的通風(fēng)有更高的要求。④很高的孔隙水壓力會(huì)降低隧道圍巖的有效應(yīng)力，造成較低的成拱作用，影響地層的穩(wěn)定性。

2)盾構(gòu)法： ①隧道施工過(guò)程中承受較大水壓力、土壓力，穩(wěn)定工作面難度較大，易發(fā)生突水突泥等事故。②縱坡轉(zhuǎn)換和地層突變處盾構(gòu)推進(jìn)困難。③長(zhǎng)距離掘進(jìn)，盾構(gòu)行進(jìn)姿態(tài)的控制與自動(dòng)化糾偏以及行進(jìn)中的刀盤(pán)檢修更換、故障處理與排險(xiǎn)頻繁。④管片結(jié)構(gòu)接縫多，容易漏水。

3)沉管法： ①沉放作業(yè)施工速度嚴(yán)重受制于洋流和天氣。②可能會(huì)遇到大方量的水下爆破，影響海洋生態(tài)。③施工過(guò)程中影響通航。

4)真空水下橋： ①施工過(guò)程中影響通航。②沉放作業(yè)施工速度嚴(yán)重受制于洋流和天氣。③施工中需要克服巨大的水壓以及浮力，并且可能影響海洋生態(tài)環(huán)境。

5)跨海橋梁： ①存在大量的高空作業(yè)。②受氣候與水文影響較大。

通過(guò)以上剖析不難發(fā)現(xiàn)，真空水下橋的施工難度相對(duì)較低，施工安全性相對(duì)較高，建議在今后跨海通道的建設(shè)過(guò)程中對(duì)該方案進(jìn)行嘗試并進(jìn)一步論證。

3.3.2 工期比較

水下橋方案線(xiàn)路總長(zhǎng)173.5 km，其中海中段137 km，施工總周期為7年(84個(gè)月)。關(guān)鍵線(xiàn)路及工期分別為預(yù)制場(chǎng)建設(shè)6個(gè)月、沉管預(yù)制及安裝60個(gè)月、安裝工程12個(gè)月、運(yùn)營(yíng)調(diào)試6個(gè)月。與其他類(lèi)似的跨海域工程對(duì)比如表2所示。

表2 跨海工程工期對(duì)比

與這些具有代表性的方案或者工程實(shí)例比較，顯然僅用7年即可竣工的真空水下橋方案更具有優(yōu)勢(shì)。

真空水下橋方案為什么能有如此高的建設(shè)速度？主要是由于真空水下橋方案有以下優(yōu)勢(shì)。

1)大部分采用預(yù)制件： 真空水下橋方案的主體結(jié)構(gòu)全部在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，可以與下部結(jié)構(gòu)的施工同步進(jìn)行。

2)基礎(chǔ)簡(jiǎn)單： 真空水下橋基礎(chǔ)部分的主要功能由支撐作用變成了錨固作用，可以采用預(yù)制的混凝土基礎(chǔ)或者管樁基礎(chǔ)，不再需要進(jìn)行大量的圍堰施工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，特別是在深水區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。

3)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖量少： 真空水下橋主體結(jié)構(gòu)局部埋置，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工作量少，而且多是表層淤泥質(zhì)土，可以采用吸泥船，挖槽施工速度快。

4)管節(jié)安裝容易： 真空水下橋管節(jié)可以采用半潛駁批量運(yùn)輸安裝，相比常規(guī)的沉管拖運(yùn)來(lái)說(shuō)，靈活性、機(jī)動(dòng)性和速度都大大提高，也可以開(kāi)發(fā)一種水下架橋機(jī)進(jìn)行快速的安裝，不易受到惡劣多變的海洋天氣干擾，可以有更多的安裝作業(yè)窗口期。

3.4 維護(hù)及救援方法對(duì)比

3.4.1 普通盾構(gòu)隧道

1)陸地盾構(gòu)隧道部分的維護(hù)主要是隧道日常運(yùn)行維護(hù)、突發(fā)事件應(yīng)急組織協(xié)調(diào)工作、確保隧道設(shè)施與機(jī)電設(shè)施的安全運(yùn)行，包含： ①隧道襯砌、檢修道、路面等結(jié)構(gòu)的變形、裂縫、錯(cuò)臺(tái)、拉裂、位移、偏移、拱起等病害防治； ②隧道水病害的日常檢查維護(hù)以及檢查隧道外的排水截水溝是否通暢。

2)普通盾構(gòu)隧道的救援，在這里主要是以鐵路隧道防災(zāi)救援為主。相關(guān)規(guī)范規(guī)定，鐵路隧道防災(zāi)疏散救援通道主要有洞內(nèi)(洞口)緊急救援站、避難所和緊急出口、橫通道3種形式。對(duì)于雙線(xiàn)鐵路隧道，緊急救援站通常采用中間設(shè)置平導(dǎo)隧道，將橫通道相互聯(lián)通的救援站形式。在防災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)中，對(duì)防護(hù)門(mén)和電動(dòng)風(fēng)閥進(jìn)行聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮通風(fēng)排煙[12]。

3.4.2 普通海底沉管隧道

1)沉管隧道會(huì)隨著使用年限的增加出現(xiàn)一定程度的老化。由于地基的沉降、潮汐、淤積深度等外部可變荷載的反復(fù)作用會(huì)使隧道產(chǎn)生不均勻沉降和局部受損，給隧道的結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)隱患，甚至使隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，影響隧道的正常使用。監(jiān)視隧道在運(yùn)營(yíng)中的結(jié)構(gòu)性能狀況，是沉管隧道日常維護(hù)最為關(guān)鍵的部分，需對(duì)沉管外部密封性進(jìn)行定期檢測(cè)。

2)沉管隧道由于結(jié)構(gòu)的特殊性導(dǎo)致防災(zāi)救援體系與盾構(gòu)隧道和一般公路隧道存在一定差異。沉管隧道相對(duì)于盾構(gòu)隧道以及礦山法隧道具有結(jié)構(gòu)緊湊、后期預(yù)留洞室困難等突出特點(diǎn)，因此導(dǎo)致防災(zāi)救援系統(tǒng)與其他類(lèi)型隧道有所差異。其主要采取火災(zāi)檢測(cè)，設(shè)置報(bào)警設(shè)施，安裝監(jiān)控設(shè)施、交通誘導(dǎo)及廣播設(shè)施、滅火設(shè)施，設(shè)立救援站、消防控制室等措施，并采用縱向通風(fēng)加重點(diǎn)排煙模式[13]。

3.4.3 真空管道方案

1)采用隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)： ①實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)隧道沉管結(jié)構(gòu)沉降、變形及受力狀態(tài)，確保隧道健康運(yùn)營(yíng)；②預(yù)測(cè)下一步結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)，根據(jù)變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)，決定是否需要采取相應(yīng)的防護(hù)控制措施，并為確定經(jīng)濟(jì)合理的養(yǎng)護(hù)方案提供決策依據(jù)；③建立多級(jí)安全預(yù)警系統(tǒng)，確保管段運(yùn)營(yíng)期間的整體及局部安全性；④渤海沉管隧道的維護(hù)與養(yǎng)護(hù)也可以作為今后沉管隧道維護(hù)監(jiān)測(cè)的重要參考依據(jù)[14]。

與普通盾構(gòu)隧道和普通海底沉管隧道維護(hù)方案相比，真空管道方案的維護(hù)優(yōu)勢(shì)在于: 由于是真空環(huán)境，運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的消防安全問(wèn)題可相對(duì)更好地控制與解決；另外，真空管道內(nèi)運(yùn)行的是磁懸浮列車(chē)，在高速運(yùn)行狀態(tài)下不與輪軌接觸，無(wú)機(jī)械沖擊，在軌道與道岔的維護(hù)上比鐵路方案相對(duì)簡(jiǎn)單，成本更低。但是，前2個(gè)方案中涉及的日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)是真空管道方案依然需要考慮的；除此之外，真空管道方案還需要考慮真空環(huán)境與復(fù)壓后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，在這點(diǎn)上，相對(duì)來(lái)說(shuō)運(yùn)營(yíng)難度大，維護(hù)成本高。

2)真空管道方案的應(yīng)急救援機(jī)制主要針對(duì)的是當(dāng)真空飛行巴士遭遇險(xiǎn)情時(shí)的應(yīng)急措施， 當(dāng)某段隧道內(nèi)出現(xiàn)事故時(shí)，會(huì)對(duì)該段隧道迅速進(jìn)行復(fù)壓。

由于真空隧道采用的是分段控制的機(jī)制，各段隧道均可以通過(guò)閥門(mén)關(guān)閉。倘若某段隧道出現(xiàn)險(xiǎn)情，則相鄰的2段隧道會(huì)迅速通過(guò)閥門(mén)與事故段隧道隔離，同時(shí)對(duì)事故段隧道進(jìn)行快速?gòu)?fù)壓，以便展開(kāi)救援工作。

4 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析

在2019年召開(kāi)的國(guó)際橋梁與隧道技術(shù)大會(huì)上，孫鈞院士表示，渤海海峽跨海通道的初步估算項(xiàng)目資金約為3 000億元。現(xiàn)對(duì)比目前全球運(yùn)營(yíng)最成熟的海底隧道——英法海底隧道。英法海底隧道為鐵路隧道，總長(zhǎng)度為51 km，其中海底隧道長(zhǎng)度為39 km。從1986年2月12日啟動(dòng)到1994年5月7日正式通車(chē)，建設(shè)歷時(shí)8年多，耗資約100億英鎊(約150億美元)，合現(xiàn)今人民幣2 010億元。

英法海底隧道主要客源為英國(guó)旅客，而渤海海峽跨海通道的主要客流為遼寧旅客。通過(guò)孫東琪等在《渤海海峽跨海通道客貨流量預(yù)測(cè)分析》[6]一文中的研究，將2條通道的公開(kāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表3)。

表3英法海底隧道與渤海海峽跨海通道(鐵路連島方案)比較

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

比較項(xiàng)目英法海底隧道渤海海峽跨海通道(鐵路連島方案)主客流地區(qū)英國(guó)遼寧人口/萬(wàn)人6 605(2017年)4 368.9(2017年)GDP 22 636.23億英鎊,合人民幣198 089億元(2018年) 23 942億元(2017年)隧道長(zhǎng)度/km51125建設(shè)成本 100億英鎊(1994年),合今人民幣2 010億元約3 000億元單公里造價(jià) 1.96億英鎊(1994年),合今人民幣39.4億元約24億元工期/年815客運(yùn)量/萬(wàn)人1 800933(2050年)貨運(yùn)量/(×104 t)80010 711(2050年)年收入 4.72億英鎊(2016年),合人民幣41.3億元 約105.66億元(2050年)年虧損約2億英鎊,合人民幣17.5億元94.4億元

由表3可知，如果選擇全隧道連島鐵路工程方案，很有可能面臨英法海底隧道一樣的巨額虧損局面。每年這樣巨額的虧損無(wú)論是由中央政府撥付還是由地方政府承擔(dān)，都是不可承受之重。因此，該通道的建設(shè)成本應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，才有可能保證既為2個(gè)半島地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)交流服務(wù)，又不至于面臨巨額虧損。

預(yù)計(jì)到2020年，煙大之間的年客流量為1 645萬(wàn)人，年貨運(yùn)量為11 817萬(wàn)t。其中，既有鐵路(環(huán)渤海方向)客流量為406萬(wàn)人，貨運(yùn)量為1 485萬(wàn)t；公路(環(huán)渤海方向)客流量為527萬(wàn)人，貨運(yùn)量為9 226萬(wàn)t；水路客流量為422萬(wàn)人，貨運(yùn)量為1 083萬(wàn)t；民航客流量為289萬(wàn)人，貨運(yùn)量為23萬(wàn)t[6]。

按照真空管道方案進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，估算項(xiàng)目投資總額為496.1億元(其中土建投資356億元)，按照7年建設(shè)期，則年均投入成本僅為70.87億元，該線(xiàn)路方案的最大年客運(yùn)承載能力為1.26億人次。在通道建成后的2030年，年收入可達(dá)105.66億元，扣除年均投入成本，真空管道方案可實(shí)現(xiàn)盈利，甚至可以提前幾年收回建設(shè)成本。對(duì)于真空管道方案的的貨運(yùn)能力，將在后續(xù)研究中深入開(kāi)展。同時(shí)，500億元內(nèi)的工程投入，也在煙臺(tái)和大連兩地的財(cái)政承受范圍之內(nèi)，有利于項(xiàng)目的實(shí)際落地。

此外，通道建成后，其綜合開(kāi)發(fā)經(jīng)營(yíng)收入、廣告收入等也可以抵消一部分通道自身的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。因此，該通道的內(nèi)部報(bào)酬率高于社會(huì)一般折現(xiàn)率。

除了通道自身的運(yùn)營(yíng)收入，其對(duì)膠東與遼東地區(qū)、華東與東北地區(qū)、整個(gè)東部沿海地區(qū),甚至東北亞地區(qū)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的拉動(dòng)效益更為顯著。

通道的建成使得渤海南北兩岸融為一體，北上與東北老工業(yè)基地乃至俄羅斯、亞歐大陸相接，南下與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華東地區(qū)相連，最終形成一條貫通我國(guó)南北、連接?xùn)|北亞國(guó)家與歐亞大陸的交通紐帶，從而為關(guān)內(nèi)、關(guān)外經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展創(chuàng)造重要的便利條件。這一層面的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，是無(wú)法估量的。

5 結(jié)論與建議

1)渤海海峽跨海通道的建設(shè)，對(duì)促進(jìn)環(huán)渤海區(qū)域經(jīng)濟(jì)全面一體化發(fā)展，振興東北老工業(yè)基地，以及鞏固國(guó)防等都具有十分重要的意義。我國(guó)應(yīng)抓住歷史機(jī)遇，乘勢(shì)而上，適時(shí)啟動(dòng)渤海海峽跨海通道的建設(shè)。

2)真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)的各分項(xiàng)技術(shù)屬于集成創(chuàng)新，綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，結(jié)合中國(guó)科學(xué)院、北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等院校幾十年的研究成果，各分項(xiàng)技術(shù)理論上都已經(jīng)趨于成熟。

3)建設(shè)渤海海峽跨海真空管道工程，不僅可以為長(zhǎng)距離跨海通道建設(shè)提供技術(shù)儲(chǔ)備和方案論證，進(jìn)一步解決臺(tái)海、瓊州等海峽通道的交通問(wèn)題，還可以促進(jìn)連接韓國(guó)、日本，甚至菲律賓、新加坡、澳大利亞等地區(qū)的海上交通問(wèn)題的解決，打造煙臺(tái)的東北亞核心城市地位，促進(jìn)海上絲綢之路的發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中國(guó)的海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

4)本論文提出的跨海方案，雖存在技術(shù)可行性，但尚無(wú)驗(yàn)證試驗(yàn)。如： 在外界來(lái)流的作用下，海底懸跨管道容易發(fā)生渦激振動(dòng)，這會(huì)加速管道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞；列車(chē)以超高速在管道中運(yùn)行對(duì)管道結(jié)構(gòu)的影響；如何處理好跨海管道與海洋生物環(huán)境的關(guān)系；工程造價(jià)等。這些將是本課題后續(xù)研究的重點(diǎn)。