韓 琳 趙振華 劉淑芬

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014； 2.華東交通大學理工學院，江西 南昌 330032)

1 日本地理及跨海工程概況

日本位于歐亞大陸以東、太平洋西部，陸地由北海道、本州、四國、九州4個大島和其他6 800多個小島嶼組成，陸地面積377 880 km2，領海面積310 000 km2。由于日本國土島嶼眾多，因此也稱為千島之國。

日本的幾大島嶼之間被海域分割，例如九州與本州島嶼之間有關門海峽(中央水道深15 m～20 m，西部在10 m以下，東北端最狹處約700 m)，本州島與北海道之間有津輕海峽(東西長約100 km，寬20 km～50 km，一般水深200 m，最大水深449 m)，四國島與本州島之間有瀨戶內海。此外，日本東京灣的陸地與海域地形和我國山東半島類似，橫跨東京灣的交通需求量也很大。

相比其他內陸國家而言，日本面臨跨海交通問題，經濟發(fā)達的幾大島嶼之間的交通問題是關系日本國計民生的重要議題之一。

在日本主要跨海工程建設之前，其島嶼之間主要采用輪渡交通形式，但是由于海上交通受大風、大霧天氣影響，交通狀況不穩(wěn)定，存在巨大的安全隱患。在歷史上，日本曾發(fā)生多起沉船事故，造成重大人員傷亡和財產損失。例如：1954年，在津輕海峽，有5個輪渡因惡劣天氣(臺風)而翻沉；1995年，在日本瀨戶內海，因濃霧導致紫云丸號輪渡翻沉。日本政府為了保障交通安全，同時獲得長遠運輸效益，相繼在關門海峽、津輕海峽、瀨戶內海及東京灣等地修建了多個重大的跨海通道工程，包括在津輕海峽修建了青函海底隧道；在關門海峽修建了關門公路隧道及關門鐵路隧道；在日本瀨戶內海的本州與四國島嶼之間陸續(xù)修建了瀨戶跨海大橋、明石海峽大橋、角島大橋、古宇利大橋、新北九州機場連接橋、東京京門大橋及第一北上川大橋。日本海底隧道及跨海橋梁工程見表1。

由表1可知，日本海底隧道工程主要分布于津輕海底和關門海峽，而日本跨海大橋主要分布于日本瀨戶內海的本州與四國島之間。此外，由于在日本東京灣區(qū)的交通需求量很大，因此在東京灣區(qū)修建有東京灣橋隧道工程及京葉線沉管隧道(日本主要跨海橋梁與隧道工程分布情況如圖1所示)。從建造時間上來，日本的海底隧道工程均在1981年以前建成，日本的跨海橋梁工程修建年代從1974年到2012年，其中著名的明石海峽大橋及瀨戶海峽大橋均是1988年建成，其中明石海峽大橋的主跨達1 991 m，瀨戶海峽大橋的主跨達1 100 m；日本的青函海底隧道在1983年建成，隧道全長53.85 km，其中海域段長23 km。

表1 日本主要跨海橋隧道工程統(tǒng)計

盡管日本主要跨海橋梁和隧道工程大多修建于30年前，但是無論從橋梁的最大跨度還是從隧道總長度而言，這些超級跨海工程的規(guī)模及技術水平至今仍處于世界領先地位。日本跨海工程的相關技術和經驗，對我國規(guī)劃瓊州海峽及渤海灣跨海通道具有重要的借鑒和參考價值。

2 日本跨海工程決策過程

2.1 跨海隧道通道建設必要性的論證——以關門隧道為例

早于1923年，阿部覺治在“大函館論”中就提出了青函隧道的構想。1939年—1940年：桑原彌壽雄提出青函隧道的構想計劃。但這些構想并未有實質性的行動。而由于二戰(zhàn)的失敗，日本喪失了大量的海外領土，不得不重新將目光投向國內，在此背景下發(fā)展人口密度較低的北海道引起了政府的關注；交通部十分清楚，發(fā)展北海道就必須在其和本州之間建立一個穩(wěn)定的交通系統(tǒng)。

另一方面，隨著1943年關門隧道(世界上第一個全尺寸海底隧道)的建成，日本政府對于建設其他海底隧道充滿了信心和希望。

1946年4月：“津輕海峽聯(lián)絡隧道調查委員會”成立，開始進行陸地部分的地質調查。1953年開始利用漁船進行海底部分的地質調查。

1954年9月26日：瑪麗臺風侵襲津輕海峽，造成洞爺丸、日高丸、北見丸、十勝丸和第十一青函丸5艘青函聯(lián)絡船被臺風吹翻，這次事故是促成青函隧道興建的關鍵因素。

此外，根據日本JNR運營的渡輪公司的數(shù)據，在1955年—1965年間，兩邊島嶼之間輪渡的客運量增加了1倍，達到4 040 000人，貨物量增加了1.7倍，達到6 240 000 t。1971年做出的交通量預測，估計兩島之間的交通量最終將超過輪渡碼頭設施能力，因此工程的建設迫在眉睫。

2.2 跨海大橋通道建設必要性的論證——以瀨戶大橋為例

日本自明治維新之后，發(fā)展工業(yè)，國力大振。到昭和時代，國內道路交通事業(yè)已有一定規(guī)模。但限于時代水平，可以說，除了關門海峽有海底隧道外，雖然有這么多的島嶼海峽，還沒有其他跨海的道路和橋梁。二戰(zhàn)前道路沿山曲折，遇水正交跨越，橋梁跨度均沒有超過200 m。第二次世界大戰(zhàn)后，修建橫跨瀨戶內海的“本州四國連絡橋”被提上議事日程。

1955年，瀨戶內海發(fā)生了一起輪渡沉沒，這促使日本政府下定決心修建跨海通道。1962年10月5日內閣會議決定開展“本四連絡橋”可行性研究。1969年5月30日內閣會議決定了“本四連絡橋”的建設方案。

1977年11月4日內閣會議決定先修建兒島—坂之間的公鐵兩用橋，并于1978年10月10日正式開工。1988年4月10日，連接本州和坂出市的瀨戶大橋建成通車。

在考慮之初自然有橋、隧之爭。軍部已不能與建設關門海峽跨海工程那樣，用戰(zhàn)爭考慮否定橋梁方案。鑒于美國于第二次世界大戰(zhàn)前期已建成了超過千米、中跨為1 280 m的金門大橋(1937年)等一系列懸索橋，且世界大跨懸索橋有發(fā)展的趨勢和前途，同時也會增加景觀和相比于隧道的其他優(yōu)點，本四聯(lián)絡線公團最終確定建設本四聯(lián)絡橋，南、北備贊瀨戶橋就是位于兒島—坂出線(中線)上的一條公鐵兩用的線路。

2.3 建設時機的選擇

長大跨海工程的投資巨大，其建設時機的選擇受多方面因素的影響，包括國家經濟的發(fā)展水平、跨海工程技術的發(fā)展水平、國家戰(zhàn)略的需求、跨海工程的經濟效益和社會效益等。我國瓊州海峽和渤海海峽跨海工程建設的必要性已經毋庸置疑，但何時修建卻一直爭論不休。

日本青函海底隧道全長53.85 km，是世界上長度最長、規(guī)模最大的海底鐵路隧道，該隧道勘測歷時17年，修建歷時19年，于1983年建成。青函隧道的建造成本是極其高昂的，1971年開工時的預算費用為8.3億美元，但竣工決算時造價高達27億美元，平均每公里超過0.5億美元。工程極其復雜，施工條件非常差，青函隧道修建過程中分別于1969年和1976年發(fā)生兩次重大涌水事故，花費巨大精力和成本最終克服困難。

如圖2所示為日本典型跨海通道建設時期，可以大致劃分為兩個階段：經濟崛起時期和經濟繁榮時期。二戰(zhàn)后，日本經濟獲得快速發(fā)展，成為繼美國之后的世界第二大經濟體。伴隨著經濟的崛起，青函海底隧道于1964年開工，其建設周期長達數(shù)十年。開工建設當年的GDP總量為820.6億美元，投資成本約占GDP總量的3.29%。進入經濟繁榮時期的20世紀80年代后，瀨戶大橋、明石海峽大橋等工程相繼開工建設，工期都在10年。在此期間，日本的經濟進入繁榮時期，其國內生產總值保持高速增長，這時的GDP從1.3萬億美元攀升至5.2萬億美元。其中，瀨戶大橋的建設成本為84.6億美元，開工當年的GDP總量為9 676.5億美元，該工程投資占當年GDP的0.87%；而明石海峽大橋總成本為43億美元，開工當年GDP總量為29 706億美元，建設成本占當年GDP的0.14%。日本三個跨海工程占GDP總量范圍是0.14%～3.29%，其中，青函隧道因為當年GDP產值較低而且建設數(shù)十年，導致投資占比達3.29%以外，另兩個工程占比均不足1%，如表2所示。

表2 日本典型跨海工程的成本及其投資占比

與日本相比，由圖2可知，我國GDP總產值在2012年首次超過日本，躍升為世界第二大經濟體。截止到2018年，我國的GDP產量已達136 000億美元，從這個方面看，跨海工程建設所需的資金已不是問題。

如表3所示為我國跨海工程投資占比分析。瓊海隧道計劃修建長度為29.5 km，預計成本為4 000億元(約合588.2億美元)，假設以2018年的GDP總產值為建設期GDP，則該項目投資占我國GDP總量的0.43%；渤?？绾９こ痰挠媱濋L度為106 km，預計投資3 000億元(約合411.2億美元)，投資成本占GDP總量的0.32%。實際上，由于跨海工程建設期間，我國的GDP總產值會更高，所以跨海工程的投資比會更低。

表3 我國跨海工程的成本及其投資占比分析

2018年，中國基建投資大約占GDP總產值的9%，而北美和西歐的投資皆占為2.5%。即使考慮瓊海和渤海工程同時開工，投資總占比僅為0.75%，處于日本跨海工程的投資占比為0.14%～0.87%之內。

所以，在不考慮其他經濟因素的情況下，無論從經濟總量的角度看還是工程的投資占比，我國現(xiàn)在已具備跨海工程建設的經濟實力。結合目前我國局部地區(qū)對跨海工程的迫切需求，我國目前已經具備了渤海和瓊州海峽跨海工程建設的基本條件，應抓緊時間開展跨海工程各項前期準備工作，促使跨海工程在十四五期間開工建設。

3 日本跨海工程的經驗教訓及其借鑒意義

3.1 日本跨海工程的經驗教訓

1)方案論證。

瀨戶大橋鐵路、公路并用，集長跨度懸索橋、斜拉橋、桁架橋等多種形式橫穿海島、跨海峽的橋梁群于一體，在世界的橋梁史上，也是史無前例的。同時，該橋位于地震多發(fā)區(qū)，臺風常侵襲區(qū)及國際海上航線要道，因此，其自然條件之惡劣，抗震、抗風設計要求之高，耗資之巨，都是世界建橋史上不多見的。因此，工程的前期調研和方案論證、對比，對于后期的施工進度、環(huán)境影響以及社會、經濟效益有著額外重要的影響，應嚴格做好每一部分調研，與工程相關的各學科要進行全面的審議、探討。

2)建設實施。

跨海大橋的建設和使用對環(huán)境產生深刻的改變。大橋通車后，取得了拉動經濟增長的重要作用，但也容易讓施工附近海域在之后的很長一段時間產生不同程度的水質污染。生態(tài)系統(tǒng)、水環(huán)境狀況、海洋生物多樣性、生物群落結構在工程建設期間容易受到影響。

明石海峽地區(qū)風速快、海潮流速快，可能出現(xiàn)強震，而且大橋自身規(guī)模較大，因此建設和維護運營過程中出現(xiàn)了問題和困難。針對沉箱基礎尺寸大、施工難的問題，施工方開發(fā)了一種特殊的沉箱系泊系統(tǒng)，解決因海潮流速過大沉箱難以定位的問題；通過布置傳感器并監(jiān)控，使得沉箱順利沉放。遇到此類困難時可以通過改進施工設備和方法應對。大橋未完工時發(fā)生了阪神大地震，但大橋損傷并不嚴重，得益于當時較為先進的設計理念和設計方法，表明優(yōu)秀的設計可以減小施工過程中突發(fā)災害的影響。針對因凈空不足導致的引導索架設困難，施工方通過直升機牽引予以解決。針對邊跨縱坡過大導致加勁梁架設施工困難的問題，通過改進架設順序和方向改善。而貓道因凈空不足無法設置抗風索，施工方通過使貓道輕量化、安裝阻尼器等措施改進貓道的剛度和穩(wěn)定性。施工方均采用恰到好處的方法解決或緩解。

3)運營階段。

明石海峽大橋運營過程中主要問題是主纜腐蝕、吊桿的氣動穩(wěn)定性不足和大橋監(jiān)測。當常規(guī)方法無法完全解決主纜銹蝕問題時，可以類比、學習明石海峽大橋的做法，開發(fā)干燥氣體注入系統(tǒng)，降低主纜內濕度，從根本上解決問題。有了長吊桿的氣動穩(wěn)定性問題的前車之鑒，可以學習提高吊桿自身啟動穩(wěn)定性，而非被動的增加阻尼器的做法。而為了橋梁的正常使用、運營維護和后續(xù)科學研究，監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。

3.2 借鑒意義

學習瀨戶大橋的投融資模式，一部分是由日本政府同縣市投資；另一部分是由政府、民間借入的資金。以官民合資并各自占取合理的比例投資。使社會上的游資發(fā)揮出強大作用。在工程建設完成后，以收通行費等方式償還債金和盈利，并通過計算控制收回建設費的年限時間，得到合理的投融資模式。并細分各自部門職責：比如調配資金和監(jiān)督工作；征地、漁業(yè)賠償、解決施工期間過往旅客的渡航；施工管理，對竣工后的橋梁、道路進行運營管理，收取通行費等做到運營管理合理。

瓊州、渤海海峽通道工程建成通車后，必然像青函海底隧道和瀨戶大橋一樣，帶來交通物流系統(tǒng)的大幅度提速，同時也必然對當前水運、物流業(yè)造成巨大挑戰(zhàn)和影響，形成新的更加高效的交通格局，并提升和優(yōu)化周邊的產業(yè)格局。

此外，跨海工程的建設將打破地域壁壘限制，促進海峽兩岸內部要素的流動，改變區(qū)域經濟的發(fā)展格局，促進區(qū)域經濟一體化發(fā)展，但也會導致海峽兩岸區(qū)域競爭更加激烈，海峽兩岸應利用跨海工程帶來的交通便利充分發(fā)揮自身競爭優(yōu)勢，協(xié)調發(fā)展，實現(xiàn)共贏。

為了避免跨海工程建設及運營對環(huán)境產生的嚴重負面影響，建議借鑒瀨戶大橋，為避免海底爆破自身帶來的傷害和爆破后的破碎巖石等雜物的堆積影響魚類生存環(huán)境，工程指揮部門采取審慎的態(tài)度和四種新的爆破方法，從而保證工程的順利進行以及環(huán)境的保護。

4 結語

參考日本跨海工程的經驗，我們針對我國跨海工程給出一些建議：

1)跨海工程建設時機。

在不考慮其他經濟因素的情況下，無論從經濟總量的角度看還是工程的投資占比，我國現(xiàn)在已具備跨海工程建設的經濟實力。結合目前我國局部地區(qū)對跨海工程的迫切需求，應抓緊開展跨海工程建設的前期準備工作，促使跨海工程在十四五期間開工建設。

2)海峽通道隧道方案。

瓊州海峽具有臺風多、跨度大、水深大、地層條件差等特點，而且海上還有10萬t級以上的輪船航行，這對跨海大橋的建設和車輛通行是不利的。考慮到南海周邊多國對南海有領土訴求，未來可能會發(fā)生領土戰(zhàn)爭，要求瓊州海峽通道應更加隱蔽、更加不易被破壞，從而在戰(zhàn)爭中發(fā)揮交通大動脈的功能，采用隧道方案將是必然的選擇，具有不可替代的意義。公路隧道的長距離通風疏散問題暫時無法較好的解決(需要在海峽中部設置多個通風豎井)。日本關門公路隧道在運營中通風噪聲導致了嚴重的環(huán)境問題，而瓊州海峽若建公路隧道，隧道長度將是關門海峽公路隧道的8倍～9倍，運營通風及交通安全問題無法解決。對此，推薦采用鐵路隧道方案建設該跨海隧道，汽車采用背負式通過隧道。

渤海海峽全年平均大風日70 d以上，冬季多西北風和北風，夏季多南風和東南風。年霧日15 d～37 d，以6月～7月最多。屬正規(guī)半日潮型，最大潮高不足2 m。與瓊州海峽不同的是渤海海峽中部有多個島嶼，渤海海峽可考慮采用超長海底鐵路隧道或跨海大橋與海底隧道組合的交通方式。

3)海峽通道橋梁方案。

鑒于瓊州、渤海海峽地區(qū)特殊，也為國際海上航線要道。其中，渤海是中國的內海，其風浪規(guī)模比東海、南海小。有文獻指出若采用南橋北隧的方案，渤海海峽的南橋，受風浪的影響程度，雖比青島膠州灣大橋大一些，但與杭州灣跨海大橋相仿，僅海水深度稍大一些。渤海海峽的海洋地質環(huán)境適合修建南橋北隧跨海通道，南橋以地震烈度8度設防，并能抗12級或以上臺風及相應浪流，修建橋墩盡量避開斷裂帶。砣磯島面積較大，其以南平均水深僅20 m，是首選的橋隧連接地點。以自然和地質條件為基礎，重點考慮橋型以及主塔結構對于渤海海峽的適應性，懸索橋或斜拉橋最為適合作為跨海大橋主通航橋的設計方案。相關文獻指出瓊州海峽采用懸索橋也是比較適合的方式。

兩處若采用大橋作為通道，可以借鑒日本瀨戶大橋及明石海峽大橋的修建經驗。需要像日本瀨戶大橋及明石海峽大橋一樣，提前并嚴格做好調研。與工程相關的各學科，需進行全面的審議、論證，對耗資、工期、經濟上的妥當性，各種施工方案的優(yōu)劣等進行專門的探討。建議借鑒日本瀨戶大橋建設方案經驗，根據瓊州、渤海海峽的地區(qū)特殊性采取因地制宜施工方案和針對性設計，且根據不同的結構構造采取合理的施工方法相互結合。在抓施工進度與質量的同時，探討影響環(huán)境最小的最佳施工方案、新型材料，保證附近環(huán)境沒有被污染，生態(tài)環(huán)境不受到較大影響。