張佳樂，王 欣，宋克志，莊肅坤，江 源，駱俊浩

（1. 魯東大學土木工程學院，山東煙臺 264025；2. 煙臺職業(yè)學院建筑工程系，山東煙臺 264670）

1 引言

渤海海峽位于我國東部沿海的北部地區(qū)，橫亙在山東半島和遼東半島之間，將山東和遼寧兩省分割成2個獨立的地理單元，陸路不能直接相連，阻礙了經濟發(fā)展和人文交流。

已有的環(huán)渤海及沿海公鐵交通網較發(fā)達，但由于渤海海峽的存在，使得從遼寧大連南下到山東青島、煙臺的鐵路必經山海關，多繞行1 500 km，而如果走高速公路則需多繞行1 600 km。如何利用渤海海峽有利的自然和地理條件，建設一條從煙臺蓬萊經長島至旅順老鐵山的直達快捷通道，補全有缺口的“C”形交通網，疏通南北交通、振興東北老工業(yè)基地并促進山東藍色經濟半島的發(fā)展是未來勢必要解決的問題。

渤海海峽跨海通道的規(guī)劃研究早在上個世紀末便已展開，經過近30年的研究，專家學者在眾多方案中分析得出：“全橋梁”“全隧道”和“南橋北隧”3種跨越方式為可行性高的方案。根據(jù)現(xiàn)有的渤海海峽自然地理條件及地質資料，經過比較分析，目前業(yè)界專家們建議渤海海峽跨海通道采用“全隧道”或“南橋北隧”方案，其中全隧道方案最優(yōu)[1-3]。

除上述跨越方式外，眾多專家學者還在積極尋求其他跨越方式，如張耀平[4]提出海底真空管道高鐵概念，劉子忠[5]等人提出真空水下橋技術，但截至目前，海底真空管道還沒有成功案例，尚停留在試驗階段?；趯ι鲜隹缭椒绞降难芯浚瑸閷崿F(xiàn)渤海海峽的跨通，本文提出一種基于智能自動駕駛機車（簡稱“智能機車”）的小斷面渤海海峽跨海隧道構想，為今后渤海海峽跨海通道的建設提供一個新的思路與發(fā)展方向。

2 渤海海峽的自然和地理條件

渤海海峽南起膠東半島北部的煙臺蓬萊，北至遼寧半島南端的旅順老鐵山角，兩端最短距離約106 km。海峽中分布著眾多島嶼，其中廟島群島位于渤海海峽最狹處，共有32個島嶼，呈直線南北擺開，南北島距56.4 km，東西寬30.8 km，南距蓬萊登州角7 km，北距旅順老鐵山角42 km[6]，廟島群島可為修建隧道提供天然豎井中轉站。

渤海海峽海底地貌崎嶇、溝脊橫穿，地勢自南向北，自西向東傾斜，如圖1所示，其中最北部靠近旅順的老鐵山水道成“U”形溝谷，形成壟脊與洼槽并列地形。海峽最深陡的洼槽在北隍城島北側的斷裂下陷部位與“U”型溝谷的南坡處相連。廟島海峽底部沖刷槽起伏大，有2個深凹，平均水深25 m，其中北部各島近岸平均水深10 m，南部各島近岸平均水深5 m，老鐵山水道最深處86 m，沖蝕洼地水深50 m，個別深槽待探明[6]。

圖1 地形剖面圖

海底沉積物主要為砂、粉砂、砂質粉砂及粉砂質砂，部分海域有含礫沉積物，總體分布呈現(xiàn)為平行于海岸線的南細北粗、東西分帶的特點[7]。沿廟島群島軸部一帶沉積層最薄，第四系沉積物厚度一般小于100 m，大部分區(qū)域厚度僅數(shù)十米，從島群軸部向東西兩邊逐漸加厚。據(jù)地層和沉積物發(fā)育的情況分析，經廟島群島軸部一線，第四系沉積物較密實，厚度僅為幾十米且?guī)r石較堅硬，是修建跨海隧道的最佳線路。

渤海海峽及其兩岸的主要斷裂帶有：郯廬斷裂帶、張家口—蓬萊斷裂帶以及一組北北東向—東西向斷裂帶，其中張家口—蓬萊斷裂帶控制了海域內的次級構造凸起和凹陷[8]。跨海隧道橫跨海峽南北兩端，隧道走向決定其必橫穿張家口—蓬萊斷裂帶，需加強對該斷裂帶的研究，以期從中找出地層更加穩(wěn)定、安全的通道。

根據(jù)該區(qū)域地震研究預測，渤海海峽區(qū)域地殼屬于基本穩(wěn)定區(qū)，可修建隧道，但渤海海峽或鄰近區(qū)域有發(fā)生6級以上地震的可能，要做好相應地震烈度的設防。隧道工程設計應至少能抗6～7級地震，在海峽北部老鐵山水道一帶，工程應按地震基本烈度Ⅶ度設防，在海峽南部即北隍城島以南的廟島群島區(qū)域，則應按地震基本烈度Ⅷ度設防[9]。

經上述對海峽的自然及地理條件分析表明，雖然該區(qū)域地形崎嶇、地質條件復雜且常伴有地震發(fā)生，但仍具備修建隧道跨越渤海海峽的條件，采用隧道穿越的方案可行。

3 渤海海峽跨海隧道建設思路

3.1 小斷面隧道

小斷面隧道因開挖半徑較常規(guī)隧道小，無法滿足公路隧道和鐵路隧道內凈空要求，主要用于市政和輸水隧洞，很少用于地下交通載客運輸。但小斷面隧道開挖半徑小，可極大降低施工成本和風險，并可大量節(jié)省開挖時間，配合現(xiàn)代化的智能交通運輸工具，可充分發(fā)揮其快速、高效、連續(xù)運輸?shù)膬?yōu)點。

隨著汽車技術及人工智能的發(fā)展，傳統(tǒng)的運輸方式可能無法給我們帶來可觀的運輸效率，尋求新技術的突破或許會帶來意想不到的效果。目前，在小斷面隧道中采用全自動駕駛、零排放的電動滑板來運輸車輛和乘客已經在美國拉斯維加斯取得了初步成功，實現(xiàn)了城市地下短途運輸[10]?；诖?，本文提出基于智能機車的小斷面渤海海峽跨海隧道構想，通過開挖海底深埋小斷面隧道，并配合智能駕駛機車來實現(xiàn)載客運輸、電動托運，小運量、快速且高頻次發(fā)車，全物聯(lián)網、自動控制，是一種基于現(xiàn)在并著眼于未來的建設構想。

3.2 線路選擇

3.2.1 隧道平面

根據(jù)現(xiàn)有的自然及地質資料，經綜合比較分析，修建全埋海底隧道是目前各方綜合考慮推薦的方案。目前，國外對大于40 km的海峽也優(yōu)先采用海底全隧道跨越方案。通過眾多專家學者的多年研究，提出4條可供選擇的全隧道線位方案[11]，如圖2所示。

圖2 全隧道線位方案圖 （單位：km）

研究表明，線位2——“連島”方案[11]即老鐵山—北隍城島—大欽島—砣磯島—北長山島—南長山島—蓬萊東港一線為修建隧道的最優(yōu)方案，本方案的隧道線位擬采用線位2方案。該線位海面長度114 km，最大水深80 m，穿越2條主要斷層，最長豎井間距51 km，根據(jù)施工或運營需要，還可利用島嶼增加豎井。綜合考慮島嶼面積及場地條件、豎井間距、技術及經濟可行等因素，設置老鐵山岸邊豎井、北隍城島豎井、北長山島豎井、蓬萊岸邊豎井。

3.2.2 隧道縱斷面

渤海海峽跨海隧道埋深的確定對隧道縱斷面至關重要，既要考慮隧道建設風險和可行性，同時還要考慮防災救援和運營要求?！斑B島”方案所經海底第四系沉積物厚度30 m左右，結合將隧道深埋于巖石中的原則，為減小隧道建設風險，采用譚忠盛[11]等提出的“深埋方案”，即將隧道埋深至80 m。隧道縱斷面呈“W”型，如圖3所示，隧道全長約125 km，海底段主要通過板巖及花崗巖地層，具有良好的隔水作用和自穩(wěn)能力，隧道穿越硬巖有利于減小水壓力，提高隧道穩(wěn)定性。

圖3 隧道縱斷面圖

3.2.3 隧道橫斷面

渤海海峽跨海隧道采用小斷面形式，隧道橫斷面的確定需要考慮施工難度、施工方法、隧道通風、行車舒適性及安全性等因素。根據(jù)《城市地下道路工程設計規(guī)范》（CJJ 221-2015）[12]，若僅通行小客車，通行凈高最小值可取3.2 m，設計速度超過60 km/h時，車道寬度取3.5 m。小客車車寬小于2.5 m，本隧道單線僅1個車道，使用電動滑板運載小客車，僅需1個車道的寬度即可滿足通車要求。綜上考慮，隧道直徑取5 m，采取單線雙洞方案，隧道橫斷面如圖4所示。

圖4 隧道橫斷面圖

3.3 隧道施工

3.3.1 隧道施工方法

傳統(tǒng)小斷面隧道主要采用鉆爆法或者懸臂式掘進機進行施工，渤海海峽跨海隧道因其長度問題，采用以上2種方法效率低且存在較高風險。根據(jù)第四系地層特性，選用盾構機或隧道掘進機（TBM）進行挖掘，不僅提高施工速度，施工安全性也比鉆爆法和懸臂式掘進機法高。

施工分區(qū)如圖5所示，隧道共分5個施工段：第1段從蓬萊端隧道口到北長山島豎井，第2段從北長山島豎井到砣磯島，第3段從砣磯島到北隍城島豎井，第4段從北隍城島豎井到老鐵山水道中部，第5段從老鐵山水道中部到旅順端隧道口[11]。每段隧道用2臺盾構機或TBM進行掘進，總共10臺機器同步施工。

圖5 施工分區(qū)圖（單位：km）

施工時先在兩端的蓬萊隧道口和旅順隧道口采用暗挖形式掘進3 km和2 km，然后在北長山島和北隍城島2個島嶼的豎井處拼裝盾構機或TBM，5個施工段可同時進行掘進，第2段和第3段、第4段和第5段對頭掘進。目前，盾構機在海底對接已有成功案例，如東京海底灣隧道在施工時采用冷凍法使8臺盾構機在海底成功對接4次。因此，筆者認為該隧道施工方法可行。

3.3.2 施工工期及成本對比

由于目前只是構想階段，因此，對工期只能根據(jù)已有的施工經驗進行粗略估計。

按照現(xiàn)有的施工水平，并結合孫鈞院士[13]預估，直徑5 m的隧道按照400 m/月成洞估算，按照上述施工分段圖，小斷面隧道“完全成洞”約6年，相比較已有的“連島”方案施工工期（約15年）縮短了60%。

根據(jù)王夢恕[14]院士在2013年的預估，采用“連島”方案耗資約 2 000億元；孫鈞[13]院士在2018年指出采用傳統(tǒng)的大直徑隧道穿越渤海海峽初步預估耗資將超過3 000億元。青島地鐵3號線全長24.9 km，建設總耗資152億元，每公里約6.1億元；濟南地鐵環(huán)線總長36.4 km，總投資217.2億元，每公里5.9億元。采用小斷面隧道方案進行建設，隧道開挖直徑比地鐵開挖直徑小，平均每公里耗資將低于6億元，粗略預估項目耗資約600億元，采用小斷面隧道建設成本將降低80%，成本和時間的投資性價比相對較高。

隧道埋深不變，隧道直徑增加時，地表沉降值將明顯增加，地表沉降槽的范圍不斷增大[15]，且隧道開挖面前方水平位移最大值逐漸增加，失穩(wěn)范圍也逐漸增大。根據(jù)大量的實測資料和研究表明，盾構隧道的開挖影響范圍為3～5倍的隧道洞徑。“連島”方案中隧道直徑為11.3 m、隧道斷面面積100.28 m2，而小斷面隧道直徑為5 m、隧道斷面面積19.63 m2，斷面面積比接近5 : 1。小斷面隧道直徑小，施工風險相比于“連島”方案也將大大降低。

“連島”方案與小斷面隧道方案施工工期及成本對比如表1所示。

表1 “連島”方案與小斷面隧道方案施工工期及成本對比

3.4 通車方式

小斷面隧道內凈空面積小，無法同時容納多輛汽車并排行駛，也無法采用鐵路方式通車，擬在隧道中鋪設軌道，軌道上安裝全自動駕駛、零排放的電動滑板來搭載車輛（圖6）或者在電動滑板上運送一種膠囊艙，膠囊艙可以乘坐8～12名乘客，其余空間可放行李等，主要針對沒有汽車的乘客。電動滑板的能源由底部安裝的蓄電池提供，電池可拆卸，使用完畢集中統(tǒng)一更換、充電，運用此種方式速度可超200 km/h，通過全長125 km的隧道僅需40 min，未來車速將更快。

圖6 電動滑板搭載車輛

小斷面隧道內是一個封閉的系統(tǒng)，每條線單向行駛，便于統(tǒng)一調控與管理。總控制臺確保車距合理后可實現(xiàn)隨時發(fā)車，統(tǒng)一調控車距和車速，合理安排發(fā)車間隔。采用自動閉塞技術，可減少等待時間，且運輸靈活、方便快捷，并有利于保持隧道內車距，降低事故發(fā)生率，從而實現(xiàn)全自動智能駕駛。在保證安全的前提下，每20～30 s即可發(fā)車1次，單線每小時可運輸120～180輛汽車或膠囊艙，按照每輛汽車平均載客4 人（膠囊艙載客量更多）計算，每小時可實現(xiàn)運輸乘客480～720人。僅白天12 h即可運輸乘客5 700～8 600人，而如果乘客多，根據(jù)運輸需要，每日運客可接近20 000人。如遇到客流量很大的節(jié)假日，可2～3輛電動滑板編為1組，同時發(fā)車，以提高單次運量。相較于傳統(tǒng)鐵路運輸，總運量大大提高且有效運輸率較高，既減少空載，又節(jié)能環(huán)保。

3.5 自動駕駛技術保障

以互聯(lián)網和傳統(tǒng)電信網為基礎構建的物聯(lián)網，是一個包含紅外感應系統(tǒng)、信息傳感器、全球定位系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)等各種現(xiàn)代化技術和設備體系的信息承載系統(tǒng)，可對應用對象進行實時監(jiān)控、連接和互動。系統(tǒng)通過對各種所需信息的采集，全面實現(xiàn)物與物、物與人的連接，并在連接過程中實現(xiàn)智能化感知、識別以及管理[16]。本方案中用來搭載汽車或膠囊艙的電動滑板便基于物聯(lián)網技術實現(xiàn)實時監(jiān)控、連接、互動與運行。

5G技術的發(fā)展和普及也給以人工智能為基礎的無人駕駛帶來了助推。相比于4G技術，5G技術的通信速度和容量大大提高，信號傳輸速率更高、延遲更低，使無人駕駛技術更加安全可靠。我國最新組網使用的“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度為分米、厘米級別，測速精度達到0.2 m/s，授時精度為10 ns，高精度的定位和測速將大大提高無人駕駛的安全性和可靠性。本方案所用的電動滑板便可運用上述先進技術組成一個系統(tǒng)，實行統(tǒng)一的管理調度，實現(xiàn)高頻次、快速、智能發(fā)車，以彌補單次運量小的缺點。

4 方案優(yōu)缺點及可行性

4.1 方案優(yōu)缺點

采用小斷面隧道方案的優(yōu)點如下：①小斷面隧道斷面面積小，成本降低，工期縮短，而且直徑縮小降低了施工風險；②采用電動滑板的通車方式可進行統(tǒng)一調度，高頻次、快速發(fā)車，運輸效率高；③全線采用電動運輸，綠色環(huán)保無污染；④運用物聯(lián)網和基于人工智能的自動駕駛技術，使運輸更加智能、安全。

本構想中同樣存在著許多缺點和不足。小斷面隧道的開挖雖造價更低，但是性價比也低；水下隧道地質勘察難度大，施工中不確定性因素相對較多；小斷面隧道內空間較狹小，災害處理時間相對較長；事故和災害條件下的逃生疏散救援較為困難，運營風險較大。除了上述缺點外，還有許多技術問題有待解決，如智能駕駛技術目前尚未成熟，應用還未普及。但是近年來多方正在聯(lián)合攻克技術難題，相信未來不久，特定場所的智能無人駕駛將廣泛應用，也將會在地下運輸系統(tǒng)使用。

4.2 方案可行性

青函隧道長53.86 km，鉆爆法施工建成；英法海峽隧道長49.2 km，盾構和TBM法施工建成。渤海海峽隧道是目前世界上擬建最長的海峽隧道，但隧道線位海水最大深度約80 m，比日本津輕海峽最深水位140 m淺；而地下水壓同海水深度又有緊密聯(lián)系，渤海海峽隧道最不利的施工水壓（1.8 MPa）比已建成的青函隧道低。將隧道深埋，置于花崗巖等隔水能力較強的基巖中，同時使用對圍巖擾動較小的小直徑盾構機或TBM施工，保持圍巖的隔水性、完整性和自承能力。在地質條件方面，津輕海峽中央部分中的黑松內層以砂質泥巖為主，夾雜凝灰?guī)r、泥灰?guī)r薄層，部分夾雜著固結度極低的砂質巖層，而北海道側受到褶曲、斷層及火山巖貫穿的影響而軟弱的部分較多[17]，地層條件差。渤海海峽島群軸部的地質條件主要為堅硬的巖石和第四系沉積物，地質條件優(yōu)于津輕海峽。綜上比較分析，渤海海峽隧道的建設規(guī)模雖然較大，但是水深和水壓以及地質條件要優(yōu)于已修建的青函隧道，經過一定的特殊設計，渤海海峽隧道的修建是可行的。

基于智能機車的小斷面隧道的應用在美國拉斯維加斯取得了初步成功，實現(xiàn)了城市地下短途點對點運輸[10]?；诖?，可將點對點的運輸距離加長，用于渤海海峽跨海通道，通過上述分析，證實了該項目的可行性。

5 結語

渤海海峽跨海通道的研究已進行多年，提出了各種跨越構想，在“全隧道”構想的基礎上提出了基于智能駕駛機車的小斷面渤海海峽跨海隧道構想，采用全自動駕駛、零排放的電動滑板來運輸車輛和乘客，快速、高效、智能、綠色環(huán)保，符合未來的發(fā)展趨勢，為今后渤海海峽跨海通道的建設提供一個新的研究思路?；诂F(xiàn)有的方法進行渤海海峽跨海通道的貫通尚存在很大的困難和風險，但該方案仍具有較好的可行性?；诂F(xiàn)有技術并著眼于未來發(fā)展趨勢，隨著經濟與科技的發(fā)展，這種點對點的快速、高頻次的小運量運輸方式必然會被大眾所青睞。