52監(jiān)測網(wǎng)專家報告分享-第45期

對渤海灣興建跨海通道有關問題的思考

孫鈞 同濟大學隧道與地下工程研究所 中國科學院院士

人物簡介

孫鈞，男，祖籍浙江紹興，1926年10月生于蘇州。1949年6月上海國立交通大學土木工程系畢業(yè)，獲工學士學位。早年（1954～1956）隨蘇聯(lián)橋梁專家И.Д.斯尼特柯教授學習并擔任專家技術口譯，修畢副博士學位課程并寫作論文。1980～1981年去美國留學，在北卡羅萊納州立大學任高訪教授。

1952年秋全國院系調整，轉調同濟大學任講師（1953）、副教授（1962）和教授（1979）迄今。1958年秋加入中國共產(chǎn)黨。我國首批博士研究生導師（1981）。1991年經(jīng)選任中國科學院（技術科學部）學部委員、1993年后改任院士。特許注冊土木工程師（巖土）。享受首批國務院特殊津貼。

前言

渤海灣跨海通道是沿海國道的重要組成部分。國家長期戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中有關交通運輸部分：沿“同三國道”沿線的“煙大跨海通道”是其重要組成部分，早在上世紀80年代末就已開始籌劃。目前急需著手工程前期籌劃工作；海域地形地貌和海上地質、地震和水文勘察，也要積極進行；幾個專題要及早立項開展研究。

目錄

一、在建設跨海通道必要性方面，對一些疑議問題的商榷；

二、跨海通道選用建隧方案的優(yōu)勢及對若干關鍵技術問題的淺識；

三、渤海灣長大海峽隧道施工方案與工期估計；

四、結語和說明

內容簡介

一、在建設跨海通道必要性方面，對一些疑議問題的商榷

1、關內外交通運輸量增長的需求，是跨海通道建設位列首位的決定性因素

從有關的可信資料，以下列見幾項有關交通運量的歷時增長數(shù)據(jù)，可以說明問題：

從上表數(shù)據(jù)可見，就當前1-3年內，現(xiàn)在提供關內外聯(lián)系的鐵路運能似尚能滿足需求；但從4欄與5欄相比照，在5-7年后，由于環(huán)渤海灣城市群建設及其產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，以2018年現(xiàn)有鐵路運能看，將感“捉襟見肘”，如仍然采用為增加運能而另外再在舊線上增加列車（現(xiàn)有舊線、特別是津浦段的運能當前即已呈飽和），似已無多大余地，且運輸線路繞行過長，運行時間上也化不來，及早適時興建跨海通道將勢在必行（更應注意跨海通道工程量巨大，其施工期長的時間差）。需要指出，跨海通道即使今天開建，也最早需在本世紀30年代中葉才能竣工通車，投入運營，并不是“今天動、明天用”呀。

設2020年啟動開建，最早也得2035年才能竣工通車。故此，上面說的從現(xiàn)在之后的5~7年，隧道還正在加緊施工中，遠未能投入那時國家經(jīng)濟發(fā)展使用而產(chǎn)生效益；而到2035年通車后，的需要恐已早感工程施工進度遠遠跟不上了，是一種建的已太晚的形勢啊！

2、在交通運輸便捷性方面

如乘坐高鐵，要經(jīng)天津中轉，快車和貨車其速度就更慢、耗時約耗時10個小時以上，普通將更長；乘飛機“煙?大”直飛僅45分鐘，但其運量過??；渤?？谟兄边_輪渡，也約需6~7個小時。在“時間就是金錢”、人們工作生活和貨物運輸節(jié)奏普遍都要求加快的現(xiàn)代人生，如何做到交通便捷、順暢、舒適，應是旅程的首選。

此處的跨海隧道長約125km，連帶兩岸接線，據(jù)有關研究資料說明，全程約需40分鐘（列車洞內運行時速設定為250km/h），這可能太過于樂觀了。我所了解的英法海峽隧道全長約是因為：51km，隧內安全行車車速僅設定為130km/h。這隧道內為密閉空間，車速如果過高，將導致車頭迎面和側面的風壓驟然猛增，其風壓力足以使列車車窗玻璃粉碎；同時，風壓高了也將導致洞內列車運行噪音進一步加劇，吵得乘客不能忍受。

英法海峽隧道因研究洞內通風問題十分精細透徹，當年被國外業(yè)界譽為“Airdynamicstunnel”，它設定的上述標準是有相當?shù)睦碚摵蛯嶒炓罁?jù)的。當然，此處渤海灣隧道如能采用多種合理的泄風壓措施，諸如：頂板增設排風通道；側面雙洞間多設橫向水平聯(lián)絡通道等進行排泄、以降低氣流風壓，則有望將洞內車速提高至180~200km/h甚或以上，估計也需要1個小時左右才可跑完全程。它較之上述的陸上繞行，加快了多少倍??！

3、通道建成后的區(qū)域受益方面

從網(wǎng)上看到，“不同意現(xiàn)在就建”的一位專家的反面意見，說：“如果今天的大連市能達到上海的經(jīng)濟發(fā)展水平，而煙臺又已具備今天深圳市那樣的創(chuàng)新科技局面，那我當然贊成現(xiàn)在就建；否則，我意可以暫緩”。他把這條通道的作用只局限地看作為該兩座城市間局部地域的交通聯(lián)系問題了，也忘了工程施工決不會一蹴而就，還得待10多個年頭后才能建成通車啊。到那時我國北方地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展又該是什么局面了？為此，上述看法筆者不敢茍同。

“煙—大”跨海通道是我國沿海交通發(fā)展規(guī)劃中“同三國道”（黑龍江省同江市—海南省三亞市）的重要組成部分。現(xiàn)在杭州灣大橋已通車多年、瓊州海峽火車客貨輪渡也早已開通使用許久了；所以，建設渤海灣跨海通道，它日后的服務面和將為此受益的區(qū)域范圍可說是因通暢了南北交通聯(lián)系而帶動：北達京津唐、大連、沈陽、長春、哈爾濱等諸大城市及所屬省、市的廣大地域，向南又將遍及濟南、煙臺、青島、徐州、連云港、合肥、南京以及蘇錫常、上海、杭州等長三角發(fā)達地區(qū)，乃致其間接受益面恐更將影響我國東部整片錦繡大地。所以，不能只看到煙臺、大連兩地，而應著眼南北和關內、關外的極大片我中華沃土，更又輻射全國的經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，都將為之受益和得到促進，產(chǎn)生巨大的正能量。本通道建設的意義非同一般呀！

正如今天的港珠澳大橋一樣，它是我國發(fā)展南方的粵港澳大灣區(qū)宏偉計劃的核心，今后本跨海通道建成后，將對環(huán)渤海灣南北沿海岸區(qū)廣大地域的技術創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展的促進將有望媲美京津唐、長三角、珠三角和上面說的粵港澳大灣區(qū)。當前行時的說法是，增加區(qū)域間的相互融合將促進更大地域范圍的經(jīng)濟增長，而交通運輸?shù)陌l(fā)展，正是“要想富、先鋪路”，有一種必然的可喜前景??！

4、關于興建本工程的時機

國外很早前就有如下說法，甚至已是一種不成文的默契，是說：“一項工程建設，如果從各種需求上作測算，要等到工程建成后起算的8-10年后才能達到所需求的各項經(jīng)濟指標時，則目前可以緩建；如果現(xiàn)在或建成后的3-5年以內其需求指標就要達到和實現(xiàn)，則應該馬上就開建（都要著重關注工期，即需要的施工時間）；而如果測算得在建成后的6、7年內可實現(xiàn)需求指標，則需審時度勢，看當時、當?shù)貙嶋H情況和主客觀條件，經(jīng)妥慎研究后作出現(xiàn)在修建與否的抉擇”。我非常同意以上論點。

此處的跨海通道，無論是修橋還是建隧，因規(guī)模十分宏大、技術復雜，還可能在施工期間遇到各種不可預測的突發(fā)性、隨機性風險（如：工期預測不準、地震災害、作業(yè)面大量突湧水、出現(xiàn)未預勘到的重大地質災變事故，或者施工期間爆發(fā)戰(zhàn)爭，等等），筆者預估的竣工通車工期（連同地質和海床水文詳勘，需耗時兩年或更長）當在15~18（20）年左右2020，而決不是只化一、二年能就一蹴而就的！如果設定年正式興工，通車時間就最早也已經(jīng)是2035年了。那時國內經(jīng)濟形勢的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)會到什么程度了??！今天就抓緊各項前期工作，促使早日開工建設，還會嫌早嗎？

5、建立工程各項前期工作的協(xié)調機制

我意現(xiàn)在就亟需在國家層面建立工程各項前期工作的協(xié)調機制,在國家審批通過后，積極開展“預可”、“工可”研究，并視條件和可能、抓緊進行有關海床地形、水文、工程地質與地震地質以及海床水文等等方面的各種詳勘工作；工程投融資方式和社會效益與經(jīng)濟效益評估分析等各項工作也都待抓緊開展，時不我待、事不宜遲呀！

6、施工風險問題

這方面的前期研究工作中，現(xiàn)已見發(fā)表有多篇相關論述，提及的各種主要的施工和運營風險分別都達10多種，并采用各種方法進行了相應的風險評估，這些都很好，有必要去做詳細分析，并似宜將重點放在風險對策預案和與之相對應的采用各種設定的工程整治措施方面。

工程“風險”與“危險”不同，只要預先測算或估計得到、并做到預判準確及對其嚴重程度先有一定有據(jù)的預判，則絕大多數(shù)工程風險都是可以規(guī)避的、可控的，也是能有辦法解決的。其要點還是早年毛主席對北京造地鐵曾說過的：“精心設計、精心施工”。我看這話現(xiàn)在還很管用。

在各種各樣的隧道施工風險中，我認為最為要害的，可能是：由于海床水情和地質上的漏勘和誤勘，以及施工中的超前地質預報工作有重大失誤，所導致的重大技術風險。

此處擬再對渤海灣區(qū)域地質缺陷和可能導致的地質災害及其工程整治對策問題，簡述如下：渤海灣海峽災害地質相對發(fā)育、其類型多樣，這是必須著重關注、采用應對措施得當最大的長期持續(xù)風險；而淺層沼氣異常發(fā)育，潛在的巖漿活動也不容忽視。

利用穿過渤海海峽的多條單道和多道地震剖面，詳細弄清楚該灣區(qū)的新構造運動特征。在渤海海峽活動斷裂發(fā)育方面，以NW和NE向為主，表現(xiàn)為同生性和集束性；淺層氣發(fā)育，與蓬萊油田具有較好對應關系，顯示其為深層來源；新構造期巖漿活動與區(qū)域活動斷裂也具有較好的對應性。故而，跨海通道的建設在地質問題處理上難度巨大，后續(xù)應進行嚴格、詳盡的風險評估，并采取有效的安全避讓措施于現(xiàn)在基礎資料十分匱乏，也就只能先說到這里了。

二、跨海通道選用建隧方案的優(yōu)勢及對若干關鍵技術問題的淺識

渤海灣跨海通道中“蓬萊—長島”一線（占工程全長的一小部份）的南邊一小段，由于有長山列島的眾多小島群（廟島群島，到北隍城島止）為過渡、且又水深較淺，橋基工程量相對會小得多，似可作橋、隧不同建設方案的比選（相信已經(jīng)做過了）；

而再向北的主體一大段海域，因水深加大（最深達40m以上）、又基本上沒有小島作過渡，可行的方案當首選Floatingimmersedbridge海底高速鐵路隧道。至于修建懸浮式水中橋（或稱懸浮式海底隧道——Floatingtunnel）還只是一種可設想的比選，由于國內外均尚未有過這類實踐，如立時即在如此宏偉的深水長大海上工程中貿然采用，可能因其施工和運營的風險程度都過高而難于被審議通過。

選擇建隧的技術優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下各個方面：

海面臺風和濃霧、地震頻發(fā)等惡劣氣象、地質條件，對建橋言都將是嚴重的制約因素。而與橋梁方案相比，選擇建隧的技術優(yōu)勢，主要是：

其一：能夠全天候通行，隧道過海對風、雨、霧、震都基本無阻，對海工、港口和航運方面也沒有不可克服的大的障礙和不利影響。而建橋方案在海上高60m以上的橋上行車，將遇一定的翻車風險（盡管橋側設置了人工風障屏），甚至因受惡劣天氣的制約而封橋；

其二：隧道深埋于地下，即使在大地震情況下，除了洞口重點部位設計時需要作抗震加固外，其主體隧洞的抗震性能優(yōu)良，在地層巖盤的圍護下因遭受震害而破壞的幾率比地上建（構）物和大橋等相對地都要低的多；

其三：相對大橋跨徑﹥1000m后的橋梁主跨言，與巖盤穩(wěn)固、節(jié)理裂隙不發(fā)育且滲水量不大的隧洞圍巖相比，在工程造價方面，采用鉆爆法開挖隧道的資金投入將比特大主跨橋梁的費用為低（用青島灣口海底隧道建成后與若建橋的相互財務決算比較為實例作說明）；但對小跨引橋而言，則一般的大橋引橋造價都比隧洞造價為廉。此處，由于大部分海域水深達三、四十米，水下和樁基工程量都太大，可能對建橋還有相當技術難度，的困難而受制約。

一般還認為，水下隧道位置隱蔽，利于戰(zhàn)時防護，受破壞的幾率較小。對此，現(xiàn)時國內業(yè)界的共識是，這種看法是不正確和不全面的。由于當今的衛(wèi)星探測能力非凡提高；激光制導的導彈和飛機投彈的命中率都在5m以內，彈體爆炸后產(chǎn)生巨大沖擊波導致的破壞力極大，即使不直接命中，也會引起海水和泥砂大量突湧入隧道，其后果定然是水中隧道要遭受嚴重毀損而又修復十分困難，較之橋梁戰(zhàn)時受損（較易修復）實在是有過之而無不及；故此，的優(yōu)點而反而成為了難以克服的劣勢！

三、渤海灣長大海峽隧道施工方案與工期估計

1.特長巖石隧道的開挖施工，應以采用隧道硬巖掘進機（TBM）為主；但計及鉆爆法開挖的機動性好及其適應面廣的特點，擬建議此處以鉆爆法為掘進機開挖的輔佐和配合，作為正、副兩手考慮，可能是合適的。此處，在上、下行主隧道之間，與之相平行地增設輔助性的服務隧道也將是十分必要的。

2.隧道越海施工方案跨海隧道橫斷面布置的不同方案，如表1所示。施工中可考慮選用的國外現(xiàn)成（可以現(xiàn)購）的幾種TBM機械設備。此處如感尺寸不合要求，則另需量身定制。

表1跨海隧道橫斷面布置的不同方案

此處，主要由工程建成后8-10年內交通運量增長（要對長遠期的運量發(fā)展作有據(jù)預測）的當前估計，并暫定選用表1中的第2（高鐵，單線、雙洞）施工方案為依據(jù)，以進行后續(xù)粗估的方案實施與。

以下對隧洞施工工序和所需工期作預估測算，此處暫按表1中的方案2（即鐵路單線、雙洞）：主洞Ф8.0m，服務隧道通過小直徑服務隧道的技術關鍵Ф5.5m考慮。主隧道大洞TBM作定制設計加工，將主洞機作業(yè)艙，先拆卸、支解成一分為TBMTBM四在于：需專門對的大刀盤、中間主塊主軸承和掘進；機后車架部分也拆零后先拖進服務隧道小洞，在橫向一側的平洞口處打曲線轉彎，彎口做成放大尺寸的弧形空間；另外，在主洞作業(yè)面后方約180m空間處作拓寬、拓高，容得有空間地位再用機械手將大尺徑TBM重新組裝成整體。平洞轉彎處和作業(yè)面后方再加大180m地段，均先用鉆爆法開挖成Ф10m的大洞，即比主洞直徑~2m。

3.跨海隧道施工方案的實施按表1中的方案2，擬將上述跨海隧道的施工方案，再分為以下2種子方案作比選后實施。

第1子方案：中間服務隧道先行，用作施工期的輔助通道（Ф5.5m），主洞大型TBM（Ф8.m架部份均需先拆卸成塊（機子中央的4m）的主體和后面車核心主軸承塊是個整體，它不能拆解），以便從服務隧道和平洞中進入主隧道內，經(jīng)在主洞內再組裝成一體后以便開挖掘進。在主隧道起始段（平洞進主洞的兩側各~180m），先用鉆爆法成洞，其長度應大于TBM全長再加~40m，毛洞高、寬均擴挖2m，以便TBM及其后配套的車架均能先在洞內重新組裝，然后再開挖掘進。

第2子方案（備選）：主洞起始段（~180m）先用Ф5.5m的小型TBM機開挖（但在經(jīng)橫洞時，如用鉆爆法開挖形成曲線型弧形大洞段，則不需要拆零）；主洞先形成Ф5.5m的小洞，隨后再用鉆爆法擴挖成型。當然，也可以改用先將橫洞擴挖成弧形大空間，使Ф5.5m機子在打彎進主洞時不需要先拆解。

上述子方案之2，多年前在終南山秦嶺鐵路隧道復線曾已成功采用，隨后更又利用此復線鐵路洞子作為服務隧道，在其一側沿隧道縱長加打了8條施工平洞，為側翼后續(xù)施工的高速公路秦嶺隧道（18km）增設了16個作業(yè)面，所謂“長洞短打”，從而大大縮短了后者的工期。當時鐵路和公路雙方成功合作，曾傳為學習雷鋒典范的佳話！從后面所述的隧洞工期進度分析情況看，此處先設定暫按第1子方案實施。

跨海隧道工程屬在深海巖盤內掘進開挖的特長大過海隧道，其暗挖段部分可能長達~125km，然后再聯(lián)上兩岸地面接線。由于海床地形、地質情況目前尚不明其詳細，隧道埋深和縱剖面線形走向、縱坡等均不可能準確確定，故影響隧道暗挖段的線形和長度也不能在此有據(jù)確定。

4.對工期的粗略估計

（1）極粗略的“成洞”綜合定額

這里說的“成洞”，不只是完成毛峒開鑿（土石方作業(yè)）和洞室的構筑襯砌，而是還包含了：TBM洞內拆裝、各專業(yè)用開鑿并室內技術設施、設備安裝就位，以及隧道通風、供電、照明、給排水、高鐵列車接觸網(wǎng)架設、無碴道床和鋪軌等必要的所有作業(yè)、全套竣工完成在內。因此，其“成洞”綜合定額只能是十分粗略的。

集完成以上一整套工種的綜合定額指標，國內外業(yè)界現(xiàn)在都還沒有，此處，只是筆者前些年從幾位老學長和老學生們（現(xiàn)在都已咨詢和學習中得到的是隧道界有聲望的專家了）調研、。這當然只是極其粗略的，待將來施工組織設計出來，定將有不少大幅度的細化和修正。

（2）就如上述的具體情況而言，似應有以下4點需著重考慮：

1）利用建設籌劃階段（有關方曾說，約需3~5年，含地質、水文各項海上詳勘工作）的同時，作為圍巖地質、水文探洞，可同步進行服務隧道的開挖支護。工期安排在該工程籌劃階段就先行同時進行；主洞進洞則定然要在這一切完成（含初步設計）之后再允許開展。

2）利用服務隧道，從其兩側橫向開鑿施工平洞，設定主隧洞可分成5個區(qū)段作“長洞短打”，各為125km/5=25km/區(qū)段，先后進行流水、平行作業(yè)?？绾Ｍǖ廊L按125km計，均按建隧方案考慮，作施工工期預測；

3）服務隧道則只能南、北向單頭掘進（只有到了中央最后一個區(qū)段，才為雙頭對打），Ф5.5，按330m/月成洞估算，其年掘進330m×12月≒年34km/年。這樣，服務隧道一個區(qū)段25km要耗時6個月打通（這里也是指上述的“完全成洞”）；

4）左、右兩條主隧洞，按分割成的5個區(qū)段，共設4條橫洞，整條雙線隧洞共打，因為是大尺寸隧洞（Ф108.0個掘進作業(yè)面，按雙頭對），其石方量將是服務隧道的一倍多，單頭進度暫按Ф5.5折半計算，即進尺減緩為按單頭165m/月（均天進尺約5.5m）；雙頭對打后，2頭×165m/月×12月≒4km/年，一個主隧道分段25km“完全成洞”也需耗時個區(qū)段，即全長125km隧道共需6年3個月；總共519年能以全部完成（由2020年初到2038年9月）。這是筆者現(xiàn)在的認識。

（3）如上述，假設2020年為籌劃的起始年，則粗略設想的工程進度——施工組織安排，見圖3和圖下說明。

（4）其它專業(yè)用洞室建設

這里還需要強調指出：特長大隧道決不只是圖上所繪的兩條直線，除了主體隧道和服務隧道以外，它還定然要在隧道內部設置以下各個專門的許多專業(yè)需用的各種專用洞室，其大小不一、位置各異，但均不可或缺。

四、結語和說明

1.竣工通車如上所述，如預期從2020年規(guī)劃籌建時刻起，大體將歷時19年，要抓緊土建及后續(xù)配套的風、水、電和鋪軌作業(yè)，使能同步竣工。這樣，將在2039年左右大功告成實現(xiàn)通車。屆時，按國家遠景發(fā)展規(guī)劃，為全國實現(xiàn)我中華民族偉大復興之年（2049年）的前10年，跨渤海灣南北兩岸將共襄“世紀之夢”，完成關內外兩岸結為一體的圓夢盛舉！

2.說明以下方面的問題，這里介紹時未能涉及，它們是：

1）海底隧道合理的最小埋置深度研究；

2）隧道掘進機（TBM）選型及其在深海巖盤中掘進的工程應用與問題；

3）鉆爆法開挖施工機具設備的成套配置與評價；

4）長大隧道掘進中地質與施工信息的智能管理以及智能監(jiān)控系統(tǒng)專用軟件的研制與開發(fā)。

對渤海灣興建跨海通道有關問題的思考

孫鈞 同濟大學隧道與地下工程研究所 中國科學院院士