渤海海峽跨海通道“南橋北隧”方案初步研究

宋克志，姜愛國，王夢恕

(1．魯東大學土木工程學院，山東煙臺 264025;2．煙建集團有限公司，山東煙臺 264003;3．北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

0 引言

渤海海峽跨海通道研究課題自1992年由煙臺市政府和原國家計委共同提出以來，已歷時20年。其基本設想是:利用渤海海峽的有利地形，在蓬萊—旅順之間以海底隧道和跨海大橋相結合的形式，建成全天候、多功能、便捷通達、連接渤海南北兩岸的交通運輸干線，全面溝通環渤海高速公路網、鐵路網，進而北上與老東北工業基地、東北亞國家及橫貫俄羅斯的歐亞大陸橋相接，南下與經濟發達的長江三角洲、珠江三角洲、港澳臺地區及橫貫中國的歐亞大陸橋隴海線相連，最終形成一條總長4 000多km(國內部分)，貫通我國南北、連接東北亞國家及亞歐地區的現代化綜合交通運輸體系，為振興東北老工業基地，發展環渤海經濟，擴大與東北亞國家的合作，并為中國東部沿海經濟的進一步發展創造重要條件，如圖1所示。

興建渤海海峽跨海通道，可以緩解環渤海地區進出關運輸、南北運輸和沿海港口集疏運輸等諸多矛盾，為我國東部沿海建立南北交通運輸及便捷安全通道創造重要前提條件;可以極大地改善環渤海地區的投資環境，擴大環渤海地區的對外開放，加強與東北亞國家和地區的經濟合作;可以為環渤海地區各城市的發展創造重要契機，實現資源整合和市場融合，為振興東北老工業基地注入強大的動力，在更大范圍、更多領域培育新的經濟增長點(如圖2所示);同時，所建渤海海峽跨海通道有著極為重要的國防價值，是鞏固渤海及我國海防的“生命線工程”。2011年初，《山東半島藍色經濟發展規劃》已成為“十二五”開局之年第1個獲國務院批復的國家發展戰略，渤海海峽跨海通道作為山東半島藍色經濟發展的重大課題，已納入煙臺市的規劃，并受到國家領導人的關注，正在進入國家決策階段。渤海海峽跨海通道課題組針對交通、經濟、海洋、工程、地質、地震、氣象、環保、軍事、文物保護等方面對渤海海峽跨海通道進行了多年的研究，取得了一系列的研究成果［1-5］，對渤海海峽跨海通道建設起到了極大的推動作用;但跨越渤海海峽通道方案的研究較少，本文既是上述研究成果的繼續和深入，也是對渤海海峽跨海通道研究的必要補充和豐富。

1 渤海海峽的自然地理及地質條件簡介

1．1 渤海海峽的地形、地貌條件

渤海海峽北起遼東半島老鐵山西南角，南至膠東半島蓬萊登州角，是渤海與黃海的天然分界線，如圖2所示。渤海海峽的廟島群島地處渤海下沉帶東側，系長白山系的分支，為膠遼隆起的一部分。在元古代晚期，廟島群島為一整體，與南北陸地連成一片，為膠遼地盾。1．4億年前一系列地質運動使陸塊斷陷、分離，形成渤海海峽。兩端最短距離約105．56km，平均水深25 m。海峽北部的老鐵山水道，是黃海海水進入渤海的最主要水道，寬約77．83 km，平均水深40 m以上，最深處約86 m。海峽中部和南部的島嶼間自北向南有隍城水道、大欽水道、北砣磯水道、南砣磯水道、高山水道、猴磯水道、長山水道和廟島海峽(登州水道)，是渤海海水流入黃海的主要通道［2］。島礁之間距離一般為2～5 km。

1．2 渤海海峽的地質條件

渤海海峽出露的地層分為2類:1)下部為夾石英巖的千枚巖，上部為夾石英巖的板巖;2)下部為板巖和石英巖互層，上部則為石英巖和板巖互層，巖質堅硬。

圖1 渤海海峽跨海通道對形成大交通運輸網絡的作用Fig．1 Effects of Bohai Strait Sea-crossing Fixed Link on mass transportation network

圖2 渤海海峽跨海通道對形成環渤海交通運輸網絡的作用Fig．2 Effects of Bohai Strait Sea-crossing Fixed link on transportation network of Circum-Bohai-Sea region

第四系多數島嶼均有分布，尤其在大欽島、陀磯島、大黑山島、南長山島較發育，由南向北逐漸增厚。按其成因分為殘積層、坡積—洪積層、海積層。殘積層由礫石和棕紅色亞黏土組成，厚度一般為1～3 m，系原巖風化物，多分布于山丘地區。礫石主要為石英碎塊，磨圓度差，呈棱角狀［2］，亞黏土由砂礫和黏土組成。坡積—洪積層主要由礫石、含礫亞砂土和亞黏土組成，分布于溝谷兩側、山坡地帶和平緩處，有的夾有礫石層，富含鈣質，局部含姜結核。海積層主要由礫石、亞黏土、粉砂、海洋生物遺骸和貝殼組成，分布于各大島海岸線平緩處。

在島間或岬角與島嶼間，槽谷和洼槽的橫剖面多呈“V”字型，其底部多被沙礫覆蓋，并有基巖突露，整個海峽的地勢自南向北呈階梯下降。寬而深的老鐵山水道沖刷槽位于最北端的老鐵山岬之下，老鐵山水道成“V”形溝谷，洼、脊并列相間的狀態，堆積有礫石和棕色亞黏土組成的洪積層和海積層，亦有礫和含礫亞砂土或亞黏土組成的坡積、洪積層。海峽北部基巖主要為片麻巖，巖石較松軟。巖層之間，有牽引壓性褶曲，斷層規模小，巖漿活動微弱，地層深處有火山噴發的玄武巖。

1．3 渤海海峽的生態環境

在渤海海峽跨海通道工程施工影響范圍內，需要重點保護的目標主要有:廟島海洋自然保護區(暖溫帶海島生態系)、廟島群島海豹省級自然保護區、煙臺沿海防護林省級自然保護區等［1］。

1．4 其他自然條件

渤海海峽地處風道，屬臺風影響區，平均大風日67．8d;全年大風日數冬季最多，平均23．4d;春秋兩季平均19 d;夏季最少，平均6．6 d。最大風速出現在1985年8月19日的9號臺風中，為40m/s。海峽歷年平均降水為80 d，年平均降水量為555．5 mm，其中，春季占59%，秋季占22%，冬季占5%。自20世紀70年代后，年降水量趨向減少。

長島海域的潮流，主要水道多為東西流，港灣多為回灣流，北部水道為西流，南部水道為東流。夏季海流，南部海區一般為0．6～1．03 m/s，大黑山島海區最小，為0．6 m/s;北部海區一般在1．2 m/s左右，港灣回灣流的流速更小。

2 渤海海峽跨海通道的“南橋北隧”方案的初步考慮

2．1 渤海海峽跨海通道橋隧組合的考慮

根據經驗，通常條件下的隧道單價高于橋梁，但是在水深較深的重要航道上修建渡海工程時，采用隧道方案優于大跨度的橋梁;相反，在水深較淺或通航要求不高的水域，因橋梁單價的低廉且可充分發揮其優點，特別是在淺水域，橋梁的結構形式較為簡單，易于降低造價，施工面廣，可加快施工速度，縮短工期，在使用方面，還可以避免(或減輕)大跨度和大高度受氣候條件的制約，提高運營時的安全度。

因地制宜采用橋隧結合方案，其最大優越性就是可以充分發揮橋梁與隧道各自的長處，達到工程的總體優化設計。當擬建通道處的條件適宜采用橋隧組合的形式時，宜優先采用它;但是，若在水面寬度不大的航道上需修建通道時，用單一的工程結構形式就更為合理。此外，即使水面寬度很大，但在擬建通道的主要航道以外水域的水很深，既無天然島，又無合理而經濟地建造人工島的條件時，也不宜采用橋隧結合的方式。目前，日本用于橋隧連接的人工島最大水深為23 m，也是目前已知的用于橋隧連接的人工島最深記錄。

基于此，渤海海峽跨海通道采用橋隧結合形式，與其他方案相比，就更有競爭力。在跨海通道南部，沿線共有9個島嶼，島嶼間距離為1．2～18km，可以充分利用長山列島和海床較淺的特點，各島嶼作中間過渡，因地制宜地在淺水區布置橋梁。對于無通航要求或通航要求較低的航道，可選擇中等跨徑的橋梁，且橋梁凈空僅受水位和浪高的控制，故橋梁高度可以降低;對于通航要求較高的航道，可以考慮采用大跨徑的斜拉橋或懸索橋跨越航道海域。而北部從北隍城島到旅順老鐵山角，無島嶼分布，且水深普遍為50～60 m，又是老鐵山水道所在地，可以考慮采用全程海底隧道。因此，橋隧組合方案對于渤海海峽跨海通道工程總體布置，顯得更為合理。

2．2 “南橋北隧”組合方案總體布置

本方案設計采用Google Earth地圖軟件繪制，線路距離和沿線海底水深數據及地層縱剖面圖也由Google Earth獲取并成圖。渤海海峽跨海通道南橋北隧方案總體布置如圖3和圖4所示。

2．2．1 北部海底隧道方案

2．2．1．1 老鐵山水道海底隧道(北隧)淺埋方案

從旅順老鐵山角到北隍城島，最短距離約42 km，沿線無島嶼，最大水深61 m，平均水深48．56 m。值得一提的是，在北隍城島北近岸約520 m處(N38°24'、E120°54'附近)有一條深溝，如圖5所示。初探東西長約1900m，南北寬約310m，最深處達到160m，和原記載最深86m有較大差別，選線時應該避讓?？紤]隧道兩端需要數km的引線隧道，且北隍城島與南隍城島之間水深幾乎為0;因此，使海底隧道向西南穿過南隍城島地下，其南端出露口設置在南隍城島西南角。這段距離大約5．2km，按30 m的最小覆蓋層厚度和鐵路隧道及公路隧道常用的不超過3%的縱坡粗略計算(通過Google Earth完成)，可以滿足引線隧道長度的要求。由此，圖3中隧道從A點(旅順)至B點(南隍城島)總長為47．2 km，隧道沿線的地層縱剖面圖如圖4所示。

2．2．1．2 老鐵山水道海底隧道(北隧)深埋方案

作為對比，設想一條深埋的北隧方案，即從旅順老鐵山角出發，考慮隧道深埋、引線加長，到達大欽島出露地表。由此，圖3中深埋隧道A點(旅順)至B'點(大欽島)總長為55．2 km，隧道沿線的地層縱剖面圖如圖4所示。

2．2．1．3 深埋和淺埋優劣比較

隧道埋深大，隔水層變厚，施工涌水和突水的風險較小;另外，埋深較大能使隧道施工爆破及運營期間對海洋生態環境的影響小，但埋深加大會使隧道線路變長。因此，應根據環境影響、隧道長度、施工風險等確定合理的隧道埋深。

2．2．2 南部跨海大橋

與北部隧道銜接，從南隍城島或大欽島開始，向南沿各島嶼至蓬萊，布置跨海大橋，考慮跨海大橋的距離、數量和路線總長，可有2種布橋線路方案。

2．2．2．1 布橋線路方案Ⅰ

與淺埋隧道銜接，沿南隍城島—小欽島—大欽島—砣磯島—北長山島—南長山島—蓬萊一線布置跨海大橋5座，依次由南橋1—南橋5組成，全長89．41 km;與深埋隧道銜接，沿大欽島—砣磯島—北長山島—南長山島—蓬萊一線布置跨海大橋3座，依次由南橋3—南橋5組成，全長90．84 km。從北向南的順序及基本數據見表1。

2．2．2．2 布橋線路方案Ⅱ

與淺埋隧道銜接，沿南隍城島—小欽島—大欽島—砣磯島—高山島—猴磯島—北長山島—南長山島—蓬萊一線布置跨海大橋7座，依次由南橋1—南橋3、南橋6—南橋8及南橋5組成，全長95．79 km;與深埋隧道銜接，沿大欽島—砣磯島—高山島—猴磯島—北長山島—南長山島—蓬萊一線布置跨海大橋5座，依次由南橋3、南橋6—南橋8及南橋5組成，全長97．22 km。從北向南在砣磯島與北長山島間與線路Ⅰ不同，分別經高山島、猴磯島再到達北長山島。從北向南的順序及基本數據見表1。

線路選擇時，兩者相比，在砣磯島與北長山島之間，線路Ⅰ(南橋4)橋長18．1 km，線路Ⅱ(3座橋，南橋6—南橋8)總橋長24．48 km，線路Ⅰ比線路Ⅱ要短6．38 km。線路Ⅱ為3座橋，中間有高山島和猴磯島可作橋墩，單座橋的長度得以減小。

3 下一步需解決的問題

1)對區域的地形、地質、海床穩定性、沖刷規律、地震、水文、海洋、生態、國防等基礎問題開展前期的勘測和分析;并對渤海海峽跨海通道與上述基礎條件的適應性及其對海洋、生態、國防等的影響進行詳細的評價。

2)跨海通道方案影響因素眾多，優勢相互矛盾，需從技術、經濟、環境和社會等多方面對影響因素進行綜合分析，構建跨海通道橋梁和隧道方案比較評價指標體系。依據相關決策理論和所構建的指標體系，對渤海海峽跨海通道橋隧方案選擇作進一步的綜合比較評價研究。

3)組合方案中橋隧銜接及兩端接線問題，如橋隧樁號、橋隧交錯、橋臺設置、隧道限界與橋寬、坡度、“早進洞，晚出洞”的環保原則等［6］。

4)渤海海峽跨海通道是采用鐵路運輸還是公路運輸，也是目前討論的熱點。運輸方式的選擇，應從跨海通道的照明、通風、防災救援、運輸效益和效率、環境影響、施工難度及可行性、工程造價等方面進行綜合考慮，開展詳細的比選研究。

5)隧道最佳埋深的確定及斷面坡度設計。

6)跨海通道建設標準的確定因素為設計速度、平曲線、豎曲線半徑、牽引、坡度等。

7)參考國內外類似跨海工程的預算資料，初步估算工程總投資為1 000億元人民幣。面對如此巨大的投資數字，如何進行創新性思維，選擇科學、合理的投融資模式，是一個重點要考慮解決的問題。

8)建設過程中要對規劃、設計、施工、運營4個階段進行安全、風險分析。

圖3 渤海海峽跨海通道“南橋北隧”方案總體布置平面圖Fig．3 General layout of Bohai Strait Sea-crossing Fixed link

圖4 渤海海峽跨海通道“南橋北隧”方案地層縱剖面圖Fig．4 Longitudinal profile of terrain of Bohai Strait Sea-crossing Fixed link

4 結論與建議

通過對渤海海峽跨海通道建設的基本條件和橋隧組合方案進行分析，得到以下結論。

1)從渤海海峽跨海通道的基本建設條件來看，自然地理、地質、地震等條件比較有利于建設海底隧道和大型跨海大橋。與日本青函隧道、英吉利海峽隧道以及杭州灣大橋等大型跨海工程相比，渤海海峽跨海通道的地理、地質條件相對優越，海洋環境等自然條件也十分有利于工程建設，施工難度也比較低。以目前海底隧道和跨海大橋的技術水平，無論是設計還是施工，完全可以勝任渤海海峽跨海通道的建設。2011年1月4日，國務院批復《山東半島藍色經濟區發展規劃》，渤海海峽跨海通道項目位列其中。

圖5 北隧軸線與海底深溝的位置關系Fig．5 Locations of north tunnel axis and subsea trench

表1 渤海海峽跨海通道“南橋北隧”線路布置Table 1 Details of“bridge in south and tunnel in north”option for Bohai Strait Sea-crossing Fixed Link

2)結合渤海海峽沿線地物、水道及水深、地層等分布特征，初步研究認為:“南橋北隧”是渤海海峽跨海通道的適宜方案，即從老鐵山角到南隍城島之間采用隧道方案，從南隍城島到蓬萊之間利用各島嶼建設跨海大橋，南隍城島—大欽島區域作為橋隧過渡區;并對北部隧道和南部橋梁線路布設方案進行了初步構想，同時，由于基礎資料缺乏和不系統，本方案還非常粗略，為使其更加切合實際，還需進一步補充收集、完善相關資料，對橋隧組合方案進行科學比選和細化。

3)對下一步需要研究解決的關鍵問題進行了建議，為渤海海峽跨海通道的進一步研究指明了方向。

4)建議成立工程協調領導指揮機構。爭取國家及早決策，由國家發改委、鐵道部、交通運輸部等有關部委，山東省、遼寧省、煙臺市、大連市有關地方以及解放軍有關部門共同組成前期工作領導小組，加強對這一工程的前期研究、規劃工作的組織、協調、管理和領導。

5)建議率先啟動蓬長試驗工程。蓬萊—長島的跨海通道作為渤海海峽跨海通道的試驗工程，具有投資規模小(約30多億元)、工程難度低等優勢，可以先行啟動進行規劃、研究和建設，為整個工程項目探索思路，積累經驗。

［1］ 魏禮群，柳新華，劉良忠，等．渤海海峽跨海通道若干重大問題研究［M］．北京:經濟科學出版社，2007:32-33．(WEI Liqun，LIU Xinhua，LIU Liangzhong，et al．Resaerch on sevral key problems for Bohai trans-strait passage［M］．Beijing:Economy Science Press，2007:32-33．(in Chinese))

［2］ 宋克志，鄧建俊，王夢?。疅煷蟛澈：{隧道的可行性研究初探［J］．地下空間與工程學報，2007，4(1):121-129．(SONG Kezhi，DENG Jianjun，WANG Mengshu．A feasibility study on Bohai strait tunnel connecting Yantai and Dalian［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，4(1):121-129．(in Chinese))

［3］ 柳新華，劉良忠，侯鮮明．國內外跨海通道發展百年回顧與前瞻［J］．科技導報，2006，24(11):78-90．(LIU Xinhua，LIU Liangzhong，HOU Xianming．A century review and prospect of the world’s trans-strait passages［J］．Science and Technology Leading Newspaper，2006，24(11):78-90．(in Chinese))

［4］ 魏禮群，柳新華，戴桂英，等．渤海海峽跨海通道研究［M］．2版．北京:經濟科學出版社，2009:85-87．(WEI liqun，LIU Xinhua，DAI Guiying，et al．Resaerch on Bohai trans-strait passage［M］．Edition Ⅱ．Beijing:Economy Science Press，2009:85-87．(in Chinese))

［5］ 宋克志，張廣東，李傳明．渤海海峽跨海通道可視化仿真建模研究［J］．公路交通科技，2008，25(7):107-112．(SONG Kezhi，ZHANG Guangdong，LI Chuanming．Visualization simulation sodeling for trans-sea channels of Bohai strait［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2008，25(7):107-112．(in Chinese))

［6］ 王夢?。_灣海峽海底鐵路隧道建設方案［J］．隧道建設，2008，28(5):517-527．(WANG Mengshu．Construction scheme of Taiwan strait sub-sea railway tunnel［J］．Tunnel Construction，2008，28(5):517-527．(in Chinese ))