日本跨海工程對(duì)我國(guó)跨海工程建設(shè)的啟示

韓 琳 趙振華 劉淑芬

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014； 2.華東交通大學(xué)理工學(xué)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(guó)、九州4個(gè)大島和其他6 800多個(gè)小島嶼組成，陸地面積377 880 km2，領(lǐng)海面積310 000 km2。由于日本國(guó)土島嶼眾多，因此也稱為千島之國(guó)。

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(guān)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(zhǎng)約100 km，寬20 km～50 km，一般水深200 m，最大水深449 m)，四國(guó)島與本州島之間有瀨戶內(nèi)海。此外，日本東京灣的陸地與海域地形和我國(guó)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(nèi)陸國(guó)家而言，日本面臨跨海交通問題，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的幾大島嶼之間的交通問題是關(guān)系日本國(guó)計(jì)民生的重要議題之一。

在日本主要跨海工程建設(shè)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(fēng)、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(cái)產(chǎn)損失。例如：1954年，在津輕海峽，有5個(gè)輪渡因惡劣天氣(臺(tái)風(fēng))而翻沉；1995年，在日本瀨戶內(nèi)海，因濃霧導(dǎo)致紫云丸號(hào)輪渡翻沉。日本政府為了保障交通安全，同時(shí)獲得長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)輸效益，相繼在關(guān)門海峽、津輕海峽、瀨戶內(nèi)海及東京灣等地修建了多個(gè)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(guān)門海峽修建了關(guān)門公路隧道及關(guān)門鐵路隧道；在日本瀨戶內(nèi)海的本州與四國(guó)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(jī)場(chǎng)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(guān)門海峽，而日本跨海大橋主要分布于日本瀨戶內(nèi)海的本州與四國(guó)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(shí)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(dá)1 991 m，瀨戶海峽大橋的主跨達(dá)1 100 m；日本的青函海底隧道在1983年建成，隧道全長(zhǎng)53.85 km，其中海域段長(zhǎng)23 km。

表1 日本主要跨海橋隧道工程統(tǒng)計(jì)

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(zhǎng)度而言，這些超級(jí)跨海工程的規(guī)模及技術(shù)水平至今仍處于世界領(lǐng)先地位。日本跨海工程的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)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(jià)值。

2 日本跨海工程決策過程

2.1 跨海隧道通道建設(shè)必要性的論證——以關(guān)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(gòu)想。1939年—1940年：桑原彌壽雄提出青函隧道的構(gòu)想計(jì)劃。但這些構(gòu)想并未有實(shí)質(zhì)性的行動(dòng)。而由于二戰(zhàn)的失敗，日本喪失了大量的海外領(lǐng)土，不得不重新將目光投向國(guó)內(nèi)，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(guān)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(gè)穩(wěn)定的交通系統(tǒng)。

另一方面，隨著1943年關(guān)門隧道(世界上第一個(gè)全尺寸海底隧道)的建成，日本政府對(duì)于建設(shè)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(luò)隧道調(diào)查委員會(huì)”成立，開始進(jìn)行陸地部分的地質(zhì)調(diào)查。1953年開始利用漁船進(jìn)行海底部分的地質(zhì)調(diào)查。

1954年9月26日：瑪麗臺(tái)風(fēng)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(luò)船被臺(tái)風(fēng)吹翻，這次事故是促成青函隧道興建的關(guān)鍵因素。

此外，根據(jù)日本JNR運(yùn)營(yíng)的渡輪公司的數(shù)據(jù)，在1955年—1965年間，兩邊島嶼之間輪渡的客運(yùn)量增加了1倍，達(dá)到4 040 000人，貨物量增加了1.7倍，達(dá)到6 240 000 t。1971年做出的交通量預(yù)測(cè)，估計(jì)兩島之間的交通量最終將超過輪渡碼頭設(shè)施能力，因此工程的建設(shè)迫在眉睫。

2.2 跨海大橋通道建設(shè)必要性的論證——以瀨戶大橋?yàn)槔?/h3>

日本自明治維新之后，發(fā)展工業(yè)，國(guó)力大振。到昭和時(shí)代，國(guó)內(nèi)道路交通事業(yè)已有一定規(guī)模。但限于時(shí)代水平，可以說，除了關(guān)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(nèi)海的“本州四國(guó)連絡(luò)橋”被提上議事日程。

1955年，瀨戶內(nèi)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(nèi)閣會(huì)議決定開展“本四連絡(luò)橋”可行性研究。1969年5月30日內(nèi)閣會(huì)議決定了“本四連絡(luò)橋”的建設(shè)方案。

1977年11月4日內(nèi)閣會(huì)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(zhēng)。軍部已不能與建設(shè)關(guān)門海峽跨海工程那樣，用戰(zhàn)爭(zhēng)考慮否定橋梁方案。鑒于美國(guó)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(shì)和前途，同時(shí)也會(huì)增加景觀和相比于隧道的其他優(yōu)點(diǎn)，本四聯(lián)絡(luò)線公團(tuán)最終確定建設(shè)本四聯(lián)絡(luò)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(shè)時(shí)機(jī)的選擇

長(zhǎng)大跨海工程的投資巨大，其建設(shè)時(shí)機(jī)的選擇受多方面因素的影響，包括國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平、跨海工程技術(shù)的發(fā)展水平、國(guó)家戰(zhàn)略的需求、跨海工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等。我國(guó)瓊州海峽和渤海海峽跨海工程建設(shè)的必要性已經(jīng)毋庸置疑，但何時(shí)修建卻一直爭(zhēng)論不休。

日本青函海底隧道全長(zhǎng)53.85 km，是世界上長(zhǎng)度最長(zhǎng)、規(guī)模最大的海底鐵路隧道，該隧道勘測(cè)歷時(shí)17年，修建歷時(shí)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(shí)的預(yù)算費(fèi)用為8.3億美元，但竣工決算時(shí)造價(jià)高達(dá)27億美元，平均每公里超過0.5億美元。工程極其復(fù)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(fèi)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(shè)時(shí)期，可以大致劃分為兩個(gè)階段：經(jīng)濟(jì)崛起時(shí)期和經(jīng)濟(jì)繁榮時(shí)期。二戰(zhàn)后，日本經(jīng)濟(jì)獲得快速發(fā)展，成為繼美國(guó)之后的世界第二大經(jīng)濟(jì)體。伴隨著經(jīng)濟(jì)的崛起，青函海底隧道于1964年開工，其建設(shè)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。開工建設(shè)當(dāng)年的GDP總量為820.6億美元，投資成本約占GDP總量的3.29%。進(jìn)入經(jīng)濟(jì)繁榮時(shí)期的20世紀(jì)80年代后，瀨戶大橋、明石海峽大橋等工程相繼開工建設(shè)，工期都在10年。在此期間，日本的經(jīng)濟(jì)進(jìn)入繁榮時(shí)期，其國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值保持高速增長(zhǎng)，這時(shí)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(shè)成本為84.6億美元，開工當(dāng)年的GDP總量為9 676.5億美元，該工程投資占當(dāng)年GDP的0.87%；而明石海峽大橋總成本為43億美元，開工當(dāng)年GDP總量為29 706億美元，建設(shè)成本占當(dāng)年GDP的0.14%。日本三個(gè)跨海工程占GDP總量范圍是0.14%～3.29%，其中，青函隧道因?yàn)楫?dāng)年GDP產(chǎn)值較低而且建設(shè)數(shù)十年，導(dǎo)致投資占比達(dá)3.29%以外，另兩個(gè)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(guó)GDP總產(chǎn)值在2012年首次超過日本，躍升為世界第二大經(jīng)濟(jì)體。截止到2018年，我國(guó)的GDP產(chǎn)量已達(dá)136 000億美元，從這個(gè)方面看，跨海工程建設(shè)所需的資金已不是問題。

如表3所示為我國(guó)跨海工程投資占比分析。瓊海隧道計(jì)劃修建長(zhǎng)度為29.5 km，預(yù)計(jì)成本為4 000億元(約合588.2億美元)，假設(shè)以2018年的GDP總產(chǎn)值為建設(shè)期GDP，則該項(xiàng)目投資占我國(guó)GDP總量的0.43%；渤?？绾９こ痰挠?jì)劃長(zhǎng)度為106 km，預(yù)計(jì)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(shí)際上，由于跨海工程建設(shè)期間，我國(guó)的GDP總產(chǎn)值會(huì)更高，所以跨海工程的投資比會(huì)更低。

表3 我國(guó)跨海工程的成本及其投資占比分析

2018年，中國(guó)基建投資大約占GDP總產(chǎn)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(shí)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(nèi)。

所以，在不考慮其他經(jīng)濟(jì)因素的情況下，無論從經(jīng)濟(jì)總量的角度看還是工程的投資占比，我國(guó)現(xiàn)在已具備跨海工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。結(jié)合目前我國(guó)局部地區(qū)對(duì)跨海工程的迫切需求，我國(guó)目前已經(jīng)具備了渤海和瓊州海峽跨海工程建設(shè)的基本條件，應(yīng)抓緊時(shí)間開展跨海工程各項(xiàng)前期準(zhǔn)備工作，促使跨海工程在十四五期間開工建設(shè)。

3 日本跨海工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)及其借鑒意義

3.1 日本跨海工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

1)方案論證。

瀨戶大橋鐵路、公路并用，集長(zhǎng)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(shí)，該橋位于地震多發(fā)區(qū)，臺(tái)風(fēng)常侵襲區(qū)及國(guó)際海上航線要道，因此，其自然條件之惡劣，抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(diào)研和方案論證、對(duì)比，對(duì)于后期的施工進(jìn)度、環(huán)境影響以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益有著額外重要的影響，應(yīng)嚴(yán)格做好每一部分調(diào)研，與工程相關(guān)的各學(xué)科要進(jìn)行全面的審議、探討。

2)建設(shè)實(shí)施。

跨海大橋的建設(shè)和使用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生深刻的改變。大橋通車后，取得了拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要作用，但也容易讓施工附近海域在之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間產(chǎn)生不同程度的水質(zhì)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(jié)構(gòu)在工程建設(shè)期間容易受到影響。

明石海峽地區(qū)風(fēng)速快、海潮流速快，可能出現(xiàn)強(qiáng)震，而且大橋自身規(guī)模較大，因此建設(shè)和維護(hù)運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了問題和困難。針對(duì)沉箱基礎(chǔ)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(shí)可以通過改進(jìn)施工設(shè)備和方法應(yīng)對(duì)。大橋未完工時(shí)發(fā)生了阪神大地震，但大橋損傷并不嚴(yán)重，得益于當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，表明優(yōu)秀的設(shè)計(jì)可以減小施工過程中突發(fā)災(zāi)害的影響。針對(duì)因凈空不足導(dǎo)致的引導(dǎo)索架設(shè)困難，施工方通過直升機(jī)牽引予以解決。針對(duì)邊跨縱坡過大導(dǎo)致加勁梁架設(shè)施工困難的問題，通過改進(jìn)架設(shè)順序和方向改善。而貓道因凈空不足無法設(shè)置抗風(fēng)索，施工方通過使貓道輕量化、安裝阻尼器等措施改進(jìn)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(yùn)營(yíng)階段。

明石海峽大橋運(yùn)營(yíng)過程中主要問題是主纜腐蝕、吊桿的氣動(dòng)穩(wěn)定性不足和大橋監(jiān)測(cè)。當(dāng)常規(guī)方法無法完全解決主纜銹蝕問題時(shí)，可以類比、學(xué)習(xí)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(nèi)濕度，從根本上解決問題。有了長(zhǎng)吊桿的氣動(dòng)穩(wěn)定性問題的前車之鑒，可以學(xué)習(xí)提高吊桿自身啟動(dòng)穩(wěn)定性，而非被動(dòng)的增加阻尼器的做法。而為了橋梁的正常使用、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和后續(xù)科學(xué)研究，監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。

3.2 借鑒意義

學(xué)習(xí)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(huì)上的游資發(fā)揮出強(qiáng)大作用。在工程建設(shè)完成后，以收通行費(fèi)等方式償還債金和盈利，并通過計(jì)算控制收回建設(shè)費(fèi)的年限時(shí)間，得到合理的投融資模式。并細(xì)分各自部門職責(zé)：比如調(diào)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(duì)竣工后的橋梁、道路進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理，收取通行費(fèi)等做到運(yùn)營(yíng)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(shí)也必然對(duì)當(dāng)前水運(yùn)、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(chǎn)業(yè)格局。

此外，跨海工程的建設(shè)將打破地域壁壘限制，促進(jìn)海峽兩岸內(nèi)部要素的流動(dòng)，改變區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展格局，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，但也會(huì)導(dǎo)致海峽兩岸區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，海峽兩岸應(yīng)利用跨海工程帶來的交通便利充分發(fā)揮自身競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)共贏。

為了避免跨海工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的嚴(yán)重負(fù)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(jìn)行以及環(huán)境的保護(hù)。

4 結(jié)語

參考日本跨海工程的經(jīng)驗(yàn)，我們針對(duì)我國(guó)跨海工程給出一些建議：

1)跨海工程建設(shè)時(shí)機(jī)。

在不考慮其他經(jīng)濟(jì)因素的情況下，無論從經(jīng)濟(jì)總量的角度看還是工程的投資占比，我國(guó)現(xiàn)在已具備跨海工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。結(jié)合目前我國(guó)局部地區(qū)對(duì)跨海工程的迫切需求，應(yīng)抓緊開展跨海工程建設(shè)的前期準(zhǔn)備工作，促使跨海工程在十四五期間開工建設(shè)。

2)海峽通道隧道方案。

瓊州海峽具有臺(tái)風(fēng)多、跨度大、水深大、地層條件差等特點(diǎn)，而且海上還有10萬t級(jí)以上的輪船航行，這對(duì)跨海大橋的建設(shè)和車輛通行是不利的?？紤]到南海周邊多國(guó)對(duì)南海有領(lǐng)土訴求，未來可能會(huì)發(fā)生領(lǐng)土戰(zhàn)爭(zhēng)，要求瓊州海峽通道應(yīng)更加隱蔽、更加不易被破壞，從而在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮交通大動(dòng)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(zhǎng)距離通風(fēng)疏散問題暫時(shí)無法較好的解決(需要在海峽中部設(shè)置多個(gè)通風(fēng)豎井)。日本關(guān)門公路隧道在運(yùn)營(yíng)中通風(fēng)噪聲導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題，而瓊州海峽若建公路隧道，隧道長(zhǎng)度將是關(guān)門海峽公路隧道的8倍～9倍，運(yùn)營(yíng)通風(fēng)及交通安全問題無法解決。對(duì)此，推薦采用鐵路隧道方案建設(shè)該跨海隧道，汽車采用背負(fù)式通過隧道。

渤海海峽全年平均大風(fēng)日70 d以上，冬季多西北風(fēng)和北風(fēng)，夏季多南風(fēng)和東南風(fēng)。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(gè)島嶼，渤海海峽可考慮采用超長(zhǎng)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(guó)際海上航線要道。其中，渤海是中國(guó)的內(nèi)海，其風(fēng)浪規(guī)模比東海、南海小。有文獻(xiàn)指出若采用南橋北隧的方案，渤海海峽的南橋，受風(fēng)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(zhì)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(shè)防，并能抗12級(jí)或以上臺(tái)風(fēng)及相應(yīng)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(diǎn)。以自然和地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，重點(diǎn)考慮橋型以及主塔結(jié)構(gòu)對(duì)于渤海海峽的適應(yīng)性，懸索橋或斜拉橋最為適合作為跨海大橋主通航橋的設(shè)計(jì)方案。相關(guān)文獻(xiàn)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(jīng)驗(yàn)。需要像日本瀨戶大橋及明石海峽大橋一樣，提前并嚴(yán)格做好調(diào)研。與工程相關(guān)的各學(xué)科，需進(jìn)行全面的審議、論證，對(duì)耗資、工期、經(jīng)濟(jì)上的妥當(dāng)性，各種施工方案的優(yōu)劣等進(jìn)行專門的探討。建議借鑒日本瀨戶大橋建設(shè)方案經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)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(duì)性設(shè)計(jì)，且根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造采取合理的施工方法相互結(jié)合。在抓施工進(jìn)度與質(zhì)量的同時(shí)，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。