煙臺(tái)—大連海底真空管道高鐵線路方案研究

張耀平

(西京學(xué)院真空管道交通研究所， 陜西 西安 710123)

0 引言

由于渤海海峽阻隔，我國(guó)山東半島和遼東半島隔海相望，兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)塊之間的交通運(yùn)輸不得不迂回上千km繞行渤海灣，嚴(yán)重制約中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展。早日啟動(dòng)煙臺(tái)—大連海峽通道工程建設(shè)，對(duì)促進(jìn)環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，以及我國(guó)向北開放戰(zhàn)略和高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

劉良忠等[4]分析回顧了渤海海峽跨海通道設(shè)想及歷程； 張躍玲[5]對(duì)渤海海峽跨海通道橋隧規(guī)劃方案進(jìn)行了比選分析。渤海海峽煙臺(tái)—大連之間直線距離約106 km，廟島群島、長(zhǎng)島、砣磯島、大欽島、小欽島、南隍城島、北隍城島自南向北鏈狀呈列，海深較淺，海底地形平緩，地質(zhì)條件對(duì)通道建設(shè)工程而言相對(duì)優(yōu)越，是渤海海峽通道建設(shè)的適當(dāng)路徑范圍。張耀平[6-7]在第十一屆臺(tái)灣海峽通道研討會(huì)上提出海底真空管道交通構(gòu)想，分析其結(jié)構(gòu)特征，提出臺(tái)灣海峽海底真空管道線路走向初步方案。從已有的跨海通道工程經(jīng)驗(yàn)、成功案例及最新研究來(lái)看，共有5種可能的快速跨海通道技術(shù)方案選項(xiàng)，即跨海大橋、海底隧道、沉管隧道、懸浮隧道(submerged floating tunnel, SFT)和海底真空管道。宋克志等[8]對(duì)煙大渤海海峽隧道的可行性進(jìn)行了初步研究； 譚忠盛等[9]、王云龍等[10]對(duì)渤海海峽跨海隧道方案及部分施工技術(shù)進(jìn)行了研究。跨海大橋、海底隧道在跨海通道建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用，施工技術(shù)成熟。一般而言，跨海大橋更適合近岸淺海，而海底隧道能適應(yīng)較深海域。二者對(duì)于煙臺(tái)—大連通道均具有可行性，也是一直以來(lái)渤海海峽通道技術(shù)方案的默認(rèn)選項(xiàng)和論證重點(diǎn)。

然而，上述研究未涉及渤海海峽海底真空管道技術(shù)方案，可能會(huì)產(chǎn)生比選方案不全面、不充分問題，進(jìn)而錯(cuò)過(guò)創(chuàng)新發(fā)展機(jī)會(huì)。沉管隧道結(jié)構(gòu)龐大，要求河床或海床平緩，僅適合短距離淺水域，不適合作為距離較長(zhǎng)的渤海海峽的主導(dǎo)方案； 懸浮隧道是被理論界看好的跨海交通新模式，但目前尚未有實(shí)際應(yīng)用，近期實(shí)施的可行性也不明朗，因此渤海海峽通道暫不必考慮。由于真空管道對(duì)海底環(huán)境具有特殊優(yōu)越性，因此海底真空管道作為真空管道交通的先行先試工程具有必要性、可行性、可能性。本文對(duì)海峽通道的海底真空管道布局及車輛結(jié)構(gòu)形式、煙臺(tái)—大連海底真空管道工程環(huán)境和線路走向等進(jìn)行探討分析，并給出初步方案建議。

1 海底真空管道的特征及優(yōu)缺點(diǎn)

真空管道交通是近年來(lái)受到全世界高度關(guān)注的新型交通方式，具有斷面小、結(jié)構(gòu)輕型、集成度好等優(yōu)點(diǎn)[11-13]，當(dāng)作為跨海方案在海底建設(shè)時(shí)，成本低于跨海大橋、海底隧道。

海底真空管道具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)： 1)海水為海底真空管道提供較恒定的低溫環(huán)境，能夠?qū)艿纼?nèi)部實(shí)施有效降溫； 2)海水為管道提供均勻浮力，不僅降低對(duì)管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，降低工程成本，而且海水能為管道及車輛的耦合振動(dòng)提供阻尼，減小系統(tǒng)振動(dòng)； 3)海底真空管道不占用陸地空間，能節(jié)省寶貴的土地資源，不影響其他生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)； 4)綜合成本低，計(jì)劃建設(shè)中的真空管道管徑3 m左右，比傳統(tǒng)用于行駛火車和汽車的海底隧道斷面小很多，盡管形成真空和維持真空需要消耗動(dòng)力和增加成本，但綜合成本可望低于海底隧道； 5)安全性高于海底隧道，不論施工階段還是運(yùn)營(yíng)階段，一旦發(fā)生重大破壞性事故，海底真空管道施工人員和乘客都可借助救生服或氣密性車輛上浮逃生[14]。

跟海底隧道、沉管隧道和跨海大橋相比，海底真空管道面臨的問題是： 研究開發(fā)工作起步較晚，研究力量和研究基礎(chǔ)薄弱，全世界目前沒有任何實(shí)施案例，甚至尚未有任何試驗(yàn)研究。跟海底隧道和沉管隧道相比，海底真空管道由于管徑較小，內(nèi)部要抽真空，不適合公路車輛進(jìn)入行駛； 跟跨海大橋相比，海底真空管道高鐵車輛視野受到局限，檢查維修困難，遇到災(zāi)難性事故時(shí)乘客逃生與救援較困難。

由于海底真空管道高鐵具有鮮明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，雖然存在一定的不足與問題，但在充分論證和科學(xué)分析基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究，分階段試驗(yàn)線建設(shè)與驗(yàn)證，渤海海峽海底真空管道高鐵率先實(shí)現(xiàn)具有可行性、可能性和必要性，其安全性能夠得到較充分的保障。

2 幾種可用于跨海通道的真空管道設(shè)置形式

真空管道作為跨海通道技術(shù)方案的選項(xiàng)之一，具體有5種可能的形式。

1) 海底高架。即在海床上修建固定墩臺(tái)(管墩)，然后通過(guò)水下施工方法，把真空管道管段按要求的精度架設(shè)在墩臺(tái)上，再用水下密封連接方法把所有管道固定連接，如圖1所示[15]。

(a) 海底高架真空管道 (單位： m)

(b) 管墩

2)海底沉管與淺埋。若海水深度不大、海床較平緩，則可按沉管法把真空管道鋪設(shè)在海床上； 或者在海床上開挖溝槽，利用深水深槽沉管安裝設(shè)備將真空管道淺埋鋪設(shè)，如圖2所示。

圖2 海底沉管/淺埋真空管道示意圖 (單位： m)

Fig. 2 Sketch of submarine immersed or shallow-buried vacuum tube (unit: m)

3)海底隧道真空管道。在海底開挖隧道，再把真空管道鋪設(shè)在隧道內(nèi)，如圖3所示。這種先開挖建隧道，再鋪設(shè)管道的方式稱為海底隧道真空管道，具體可考慮單管單向雙管道模式，也可考慮單管雙向模式。

圖3 海底隧道真空管道示意圖

由于真空管道斷面較小，且管道均為預(yù)制，使得海底隧道真空管道建設(shè)采用頂管法施工成為可能。頂管法施工海底隧道真空管道將比盾構(gòu)法和鉆爆法施工的工程費(fèi)用大幅度降低，施工進(jìn)度更快。

4) 海上高架真空管道。此方案類似于跨海大橋的建設(shè)方式，即在海中修建橋墩(或稱管墩)，再把管道架設(shè)在管墩上。為了提高海上高架真空管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也可先架設(shè)輕型橋梁，再把真空管道鋪設(shè)在橋梁上；或者應(yīng)用索拉橋建設(shè)方式，以利于在保持管道大跨度的同時(shí)提高穩(wěn)定性。由于管道斷面小、車輛輕型，在跨海通道具有同等通過(guò)能力和載運(yùn)能力前提下，建設(shè)成本可望低于現(xiàn)有的公路、鐵路跨海大橋。海上高架真空管道需要修建高管墩，對(duì)抗風(fēng)要求較高，在水深大于30 m的海域綜合成本會(huì)高于海底真空管道。因此，暫不建議作為渤海灣跨海通道備選方案開展進(jìn)一步論證。

5) 懸浮管道。懸浮隧道或懸浮管道是理論上可行的跨海交通模式，但目前在理論上和實(shí)踐上都存在一些尚未解決的問題，近期取得突破的可能性不明朗。因此，渤海海峽跨海通道目前不必把水下懸浮真空管道作為論證方案予以考慮。

3 煙臺(tái)—大連海底真空管道高鐵車輛模式與斷面結(jié)構(gòu)

渤海海峽通道建設(shè)的迫切任務(wù)是溝通南北，縮短山東半島和遼東半島之間的運(yùn)輸距離和旅行時(shí)間。因此，煙臺(tái)—大連海底真空管道不必追求超高速度，不必考慮磁懸浮車輛模式，350 km/h高鐵輪軌模式即能滿足車輛運(yùn)行速度需求。在同等運(yùn)輸能力前提下，只要建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本能低于傳統(tǒng)海底隧道方案，則有必要將海底真空管道作為較優(yōu)方案在論證比選中予以重視。

我國(guó)輪軌高鐵技術(shù)相當(dāng)成熟，運(yùn)行效果良好，煙臺(tái)—大連海底真空管道可優(yōu)先考慮輪軌高鐵車輛模式。面臨的問題是： 列車在開放大氣環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，受到的氣動(dòng)阻力跟在封閉環(huán)境(隧道、管道)中有很大不同。車輛在封閉環(huán)境中的阻塞比(車輛斷面積與隧道斷面積之比)越大，則氣動(dòng)阻力越大。為降低氣動(dòng)阻力，現(xiàn)有高鐵隧道都采用較小的阻塞比(通常小于0.3)。

真空管道的優(yōu)越性是可以通過(guò)排除管道內(nèi)空氣來(lái)降低其中運(yùn)行車輛的氣動(dòng)阻力，在車輛斷面不變的情況下，使得減小管道斷面成為可能?；诖颂卣?，給出煙臺(tái)—大連海底真空管道車輛結(jié)構(gòu)與斷面如下：

1)軌道。采用現(xiàn)有1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距高鐵軌道。

2)車輛。采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)軌距轉(zhuǎn)向架，重新設(shè)計(jì)制造縮小斷面的車輛底盤和氣密性客艙。

3)管道斷面。內(nèi)徑3.2～3.4 m。

車輛、軌道、管道斷面及尺寸如圖4所示。

圖4 海底真空管道及車輛斷面圖(單位： mm)

Fig. 4 Cross-section of submarine vacuum tube and vehicle (unit： mm)

4 渤海海峽海底地形與海況

渤海海峽海底地形及等深線如圖5所示(根據(jù)Google Earth Pro提供的海底深度數(shù)據(jù)繪制)。圖中示出煙臺(tái)—大連通道范圍內(nèi)真空管道線路可能的4條線路走向，即A線、B線、C線和D線。海峽最窄處位于山東蓬萊劉家溝鎮(zhèn)到遼寧旅順老鐵山之間，即B線所在位置，直線距離約106 km。B線以西是廟島群島以及長(zhǎng)島、黑山島、砣磯島、大欽島、小欽島、南隍城島、北隍城島、大竹山島、小竹山島等島嶼，其中長(zhǎng)島、砣磯島、大欽島、小欽島、南隍城島、北隍城島自南向北呈鏈狀分布。煙臺(tái)—大連通道范圍內(nèi)90%海域水深小于60 m，南邊煙臺(tái)側(cè)海底地勢(shì)較平緩，自然縱坡小于1‰；北邊大連側(cè)較陡峭，自然縱坡約3.5‰。最大水深88 m，位于A線方向北隍城島以北約3.6 km處。

圖5 煙臺(tái)—大連通道范圍等深線及備選線路方案

Fig. 5 Bathymetric contour and alternative route scheme of vacuum tube between Yantai and Dalian

渤海海峽跨海通道位于膠遼隆起上，該區(qū)基底隆升，尤其沿長(zhǎng)山列島島嶼鏈，新近系底界凸起，基巖埋深小于100 m，有利于海底隧道施工[16]。

5 煙臺(tái)—大連海底真空管道高鐵線路方案比較

在煙臺(tái)—大連跨海通道范圍內(nèi)，共給出A、B、C、D4條真空管道線路走向作為比選方案(見圖5)。

5.1 A線方案

A線從蓬萊市區(qū)北離岸，往北經(jīng)長(zhǎng)島到砣磯島，在砣磯島向東北方向偏轉(zhuǎn)，經(jīng)由大欽島、北隍城島，跨越80 m深水區(qū)，從旅順口老鐵山上岸，總長(zhǎng)約110 km。其中線路在大欽島、北隍城島之間經(jīng)由小欽島東淺灘和南隍城島西淺灘。A線線路方向縱斷面地形圖和真空管道縱斷面設(shè)計(jì)線形如圖6所示。

蓬萊側(cè)入海處，真空管道可以有2種入海方案。一是岸上管道高架，離岸后管道掠過(guò)海面按一定縱坡入海，直至到達(dá)海床附近。由于真空管道坡度較緩，這種入海方式會(huì)導(dǎo)致入海段很長(zhǎng)，即使線路設(shè)計(jì)成20‰縱坡，管道穿越20 m深表層海水也需經(jīng)歷1 km距離。這會(huì)對(duì)海面形成分割，影響近岸區(qū)其他水面作業(yè)與活動(dòng)。而且，這一深度區(qū)域是潮汐風(fēng)浪區(qū)，會(huì)影響真空管道穩(wěn)定性，增加工程成本，危及運(yùn)行安全。優(yōu)點(diǎn)是工程可視性好，施工方便，可抵消其他因素可能造成的工程成本增加量。二是采用海底入海方式，即管道入海前已經(jīng)以隧道方式進(jìn)入到海平面以下一定深度，然后在海底設(shè)計(jì)深度處入海，如圖6所示。同理，旅順側(cè)也采用水下入海方式。

圖6 A線方案全線縱斷面概略圖

由圖6可知，管道線路在0～43 km段以0.5‰縱坡延伸，以隧道方式穿越長(zhǎng)島、砣磯島、大欽島、小欽島、南隍城島、北隍城島。北隍城島以北海溝和老鐵山以南海溝之間74～92 km段是一處隆起海脊，也需要以海底隧道真空管道方式通過(guò)。在20～34 km段以高架、沉管(或淺埋)方式鋪設(shè)，45～50 km、70～74 km、96～105 km段以高架方式鋪設(shè)，跨越北隍城島北大于70 m深度海溝時(shí)需要架設(shè)20 m以上高墩。

A線方案的優(yōu)點(diǎn)是線路經(jīng)由天然島鏈，為隧道工程設(shè)置豎井提供了便利，只需在海峽北部旅順口側(cè)70～105 km段考慮設(shè)置人工島塔[17]，大大減少人工島塔數(shù)量，有利于降低工程造價(jià)和施工難度。缺點(diǎn)是海底隧道工程成本高于海底真空管道(包括海底高架、沉管或淺埋)，且施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)均高于高架、沉管或淺埋形式的海底真空管道。

5.2 B線方案

B線方案南端離岸點(diǎn)位于蓬萊劉家溝鎮(zhèn)，北端上岸點(diǎn)位于旅順口老鐵山，穿越大竹山島，直線距離約106 km。在此線路走向范圍內(nèi)，海底地形平緩，在5～60 km段水深20～30 m； 70～100 km段水深50～60 m，最深處67 m，如圖7所示。

圖7所示B線路方案中，蓬萊側(cè)和旅順側(cè)管道入海都采用由隧道海底入海方式。6～22 km段以沉管或淺埋方式為主，然后以隧道方式穿越大竹山島，35～63 km段以海底高架為主，63～85 km段以沉管或淺埋方式為主，85～103 km段以高架為主，部分地段用沉管或淺埋。關(guān)于縱坡，0～60 km段為水平線路，60～70 km段設(shè)計(jì)縱坡為4‰，70～100 km段設(shè)計(jì)為水平線路，100～106 km段設(shè)計(jì)縱坡為6.7‰。

B線方案的優(yōu)點(diǎn)是： 海底地形平緩，大部分線路可設(shè)計(jì)成縱坡為0的水平線路，除穿越大竹山島需要采用隧道方案外，大部分區(qū)段均可設(shè)置成海底高架、沉管或淺埋； 水深較淺，60%線段水深20～30 m，便于海底施工。

圖7 B線方案全線縱斷面概略圖

5.3 C線方案

C線方案南端離岸點(diǎn)位于煙臺(tái)芝罘區(qū)，北端上岸點(diǎn)位于大連佛門寺，直線距離約134 km。在此線路走向范圍內(nèi)，海底地形坡度平緩，115 km處海溝以南海底自然縱坡約0.5‰。有一較深海溝位于距離大連佛門寺18 km處，最大深度為66 m。C線線路上海底地形及海底真空管道設(shè)計(jì)縱斷面如圖8所示。

圖8所示C線路方案中，煙臺(tái)側(cè)海灘平緩，所以管道入海采用淺埋入海方式，旅順側(cè)管道入海采用由隧道海底入海方式。0～30 km段以淺埋方式為主，30～90 km段以海底高架為主，90～100 km段以沉管或淺埋方式為主，100～130 km段以高架為主，部分地段用沉管或淺埋。關(guān)于管道線路縱斷面，0～20 km段設(shè)計(jì)縱坡為1‰，20～40 km段為水平線路，40～100 km段設(shè)計(jì)縱坡為0.5‰，100～120 km段設(shè)計(jì)為水平線路，120～134 km段設(shè)計(jì)縱坡為3.6‰。

C線方案的優(yōu)點(diǎn)是： 線路走向范圍海底地形平緩，大部分路段設(shè)計(jì)縱坡為0～1‰，不穿越任何島嶼，全線任何線段不需要采用海底隧道方案，全線路均可設(shè)置成海底高架、沉管或淺埋； 水深較淺，80%線段水深小于50 m，海底施工難度較低。

5.4 D線方案

D線方案南端離岸點(diǎn)位于煙臺(tái)養(yǎng)馬島，北端上岸點(diǎn)位于大連金州區(qū)大孤山，穿越大山島淺灘區(qū)，直線距離約173 km。在此線路走向范圍內(nèi)，海底地形坡度平緩，最大深度為51 m。D線方案線路里程、坡度、地形高程、線路高程等如圖9所示。

圖8 C線方案全線縱斷面概略圖

圖9 D線方案全線縱斷面概略圖

圖9所示D線路方案中，煙臺(tái)側(cè)海灘平緩，管道入海采用岸上高架然后穿越海面入海方式，旅順側(cè)大山島至大孤山岸上段采用海面以上高架管道，大山島往南管道采用穿越海面入海方式。煙臺(tái)側(cè)管道入海抵達(dá)海底后，11～43 km段以沉管或淺埋方式為主，43～155 km段以海底高架為主，至大山島附近出海后即采用海面高架管道方式。管道線路縱斷面在0～20 km段設(shè)計(jì)縱坡為1.5‰，20～50 km段為水平線路，50～80 km段設(shè)計(jì)縱坡為0.7‰，80～140 km段設(shè)計(jì)為水平線路，140～160 km段設(shè)計(jì)縱坡為2.5‰，160 km以北海上高架段至大孤山岸上段為水平管道。

D線方案的優(yōu)點(diǎn)是： 線路走向范圍海底地形平緩，不穿越任何島嶼，全線任何線段不需要采用海底隧道方案，均可設(shè)置成海底高架、沉管或淺埋； 水深較淺，最大深度51 m，海底施工難度較低。但也存在明顯的缺點(diǎn)，即跨海真空管道里程173 km，明顯較長(zhǎng)。

在D線方案中，煙臺(tái)側(cè)和大連側(cè)的入海方式除采用穿海面入海方式外，根據(jù)地形特征，另一種可選擇的管道入海方式是煙臺(tái)側(cè)采用淺埋入海，大連側(cè)的近大孤山岸上段和大山島段采用開槽深埋管道方式，入海方式則為埋置管道入海，具體如圖10所示。

圖10 兩端淺埋時(shí)D線方案縱斷面圖

6 結(jié)論與建議

1)真空管道為氣密性結(jié)構(gòu)，斷面小、自重輕、集成度好，適合在海底架設(shè)，作為跨海通道的新選擇。其建設(shè)成本低于海底隧道、沉管隧道、懸浮隧道和跨海大橋，現(xiàn)有的海底油氣管道鋪設(shè)和海洋工程技術(shù)可為海底真空管道建設(shè)提供借鑒。

2)雖然真空管道交通還沒有實(shí)際應(yīng)用和成功案例，但海底真空管道處在海水恒溫環(huán)境中，使管道內(nèi)散熱問題迎刃而解；海水能為管道提供浮力，使管道跨度可以很大。隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展，利用海水浮力和寬廣的水域，某些大型工程的海上施工有可能變得比陸上更容易、成本更低。因此，適時(shí)改變傳統(tǒng)的海底隧道技術(shù)路線思想，銳意進(jìn)取，大膽創(chuàng)新，嘗試采用海底真空管道方案，具有重要意義。

3)海底真空管道包括海底高架、海底沉管和海底淺埋3種基本技術(shù)模式，必要時(shí)可輔助采用海底隧道真空管道模式。

4)煙臺(tái)—大連渤?？绾Ｍǖ澜ㄔO(shè)有必要考慮海底真空管道高鐵方案。其目標(biāo)是經(jīng)由最短路徑以較低的成本造價(jià)連通山東半島和遼東半島，而非追求超高速，現(xiàn)有高鐵350 km/h速度即能滿足需要。因此，煙臺(tái)—大連海底真空管道建議斷面直徑(內(nèi)徑)選取3.2～3.4 m，管道內(nèi)鋪設(shè)中國(guó)高鐵采用的1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距軌道，車輛轉(zhuǎn)向架選用高鐵列車標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)向架，設(shè)計(jì)制造小斷面尺寸氣密性車輛，使其匹配管道斷面內(nèi)部限界。管道內(nèi)抽成1 000～5 000 Pa真空，車輛按200～350 km/h速度行駛。

5)煙臺(tái)—大連跨海通道范圍有A、B、C、D4條真空管道線路可供比選。其中，A線特點(diǎn)是穿越島鏈，50%以上線路需要按海底隧道真空管道方式建設(shè)，尤其是穿越島嶼時(shí)； 在4條備選線路方案中，B線為最短路線；C線不穿越任何島嶼，海底地形平緩，自然縱坡??；D線在4條線中處于最東邊，線路全長(zhǎng)約173 km，明顯太長(zhǎng)。建議將B線、C線作為重點(diǎn)予以論證和考慮。

本文首次提出渤海海峽跨海通道海底真空管道高鐵線路方案，分析海底真空管道結(jié)構(gòu)特征及優(yōu)越性，論述采用真空管道輪軌高鐵技術(shù)方案的必要性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，給出線路方案平面及縱斷面模型，為渤海海峽跨海通道建設(shè)及方案比選提供理論基礎(chǔ)。當(dāng)前尚無(wú)海底真空管道的實(shí)驗(yàn)研究，建議早日啟動(dòng)煙臺(tái)—大連海底真空管道實(shí)驗(yàn)研究與試驗(yàn)線建設(shè)工作。