張佳樂，王 欣，宋克志，莊肅坤，江 源，駱俊浩

（1. 魯東大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺 264025；2. 煙臺職業(yè)學(xué)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(jīng)濟發(fā)展和人文交流。

已有的環(huán)渤海及沿海公鐵交通網(wǎng)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(jīng)山海關(guān)，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(shè)一條從煙臺蓬萊經(jīng)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(wǎng)，疏通南北交通、振興東北老工業(yè)基地并促進山東藍色經(jīng)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(jīng)過近30年的研究，專家學(xué)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(zhì)資料，經(jīng)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(xué)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(shù)，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?，為實現(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(gòu)想，為今后渤海海峽跨海通道的建設(shè)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(zhuǎn)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(cè)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(zhì)粉砂及粉砂質(zhì)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(jīng)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(nèi)的次級構(gòu)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(yù)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(yīng)地震烈度的設(shè)防。隧道工程設(shè)計應(yīng)至少能抗6～7級地震，在海峽北部老鐵山水道一帶，工程應(yīng)按地震基本烈度Ⅶ度設(shè)防，在海峽南部即北隍城島以南的廟島群島區(qū)域，則應(yīng)按地震基本烈度Ⅷ度設(shè)防[9]。

經(jīng)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(zhì)條件復(fù)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(shè)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(nèi)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(fēng)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(shù)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(shù)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(jīng)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]?；诖耍疚奶岢龌谥悄軝C車的小斷面渤海海峽跨海隧道構(gòu)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(wǎng)、自動控制，是一種基于現(xiàn)在并著眼于未來的建設(shè)構(gòu)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(zhì)資料，經(jīng)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(xué)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(shù)及經(jīng)濟可行等因素，設(shè)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(guān)重要，既要考慮隧道建設(shè)風(fēng)險和可行性，同時還要考慮防災(zāi)救援和運營要求?！斑B島”方案所經(jīng)海底第四系沉積物厚度30 m左右，結(jié)合將隧道深埋于巖石中的原則，為減小隧道建設(shè)風(fēng)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(fēng)、行車舒適性及安全性等因素。根據(jù)《城市地下道路工程設(shè)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(shè)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(fēng)險。根據(jù)第四系地層特性，選用盾構(gòu)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(gòu)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?biāo)淼揽诓捎冒低谛问骄蜻M3 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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)想階段，因此，對工期只能根據(jù)已有的施工經(jīng)驗進行粗略估計。

按照現(xiàn)有的施工水平，并結(jié)合孫鈞院士[13]預(yù)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(yù)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(yù)估耗資將超過3 000億元。青島地鐵3號線全長24.9 km，建設(shè)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(shè)，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(yù)估項目耗資約600億元，采用小斷面隧道建設(shè)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(gòu)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(fēng)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(nèi)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(shè)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(nèi)是一個封閉的系統(tǒng)，每條線單向行駛，便于統(tǒng)一調(diào)控與管理?？偪刂婆_確保車距合理后可實現(xiàn)隨時發(fā)車，統(tǒng)一調(diào)控車距和車速，合理安排發(fā)車間隔。采用自動閉塞技術(shù)，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(nèi)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(shù)保障

以互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)電信網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)，是一個包含紅外感應(yīng)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(shù)和設(shè)備體系的信息承載系統(tǒng)，可對應(yīng)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(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)控、連接、互動與運行。

5G技術(shù)的發(fā)展和普及也給以人工智能為基礎(chǔ)的無人駕駛帶來了助推。相比于4G技術(shù)，5G技術(shù)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(shù)更加安全可靠。我國最新組網(wǎng)使用的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)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(shù)組成一個系統(tǒng)，實行統(tǒng)一的管理調(diào)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(fēng)險；②采用電動滑板的通車方式可進行統(tǒng)一調(diào)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(wǎng)和基于人工智能的自動駕駛技術(shù)，使運輸更加智能、安全。

本構(gòu)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(zhì)勘察難度大，施工中不確定性因素相對較多；小斷面隧道內(nèi)空間較狹小，災(zāi)害處理時間相對較長；事故和災(zāi)害條件下的逃生疏散救援較為困難，運營風(fēng)險較大。除了上述缺點外，還有許多技術(shù)問題有待解決，如智能駕駛技術(shù)目前尚未成熟，應(yīng)用還未普及。但是近年來多方正在聯(lián)合攻克技術(shù)難題，相信未來不久，特定場所的智能無人駕駛將廣泛應(yīng)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(gòu)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(gòu)機或TBM施工，保持圍巖的隔水性、完整性和自承能力。在地質(zhì)條件方面，津輕海峽中央部分中的黑松內(nèi)層以砂質(zhì)泥巖為主，夾雜凝灰?guī)r、泥灰?guī)r薄層，部分夾雜著固結(jié)度極低的砂質(zhì)巖層，而北海道側(cè)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(zhì)條件主要為堅硬的巖石和第四系沉積物，地質(zhì)條件優(yōu)于津輕海峽。綜上比較分析，渤海海峽隧道的建設(shè)規(guī)模雖然較大，但是水深和水壓以及地質(zhì)條件要優(yōu)于已修建的青函隧道，經(jīng)過一定的特殊設(shè)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(yīng)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]?；诖耍蓪Ⅻc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(jié)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(gòu)想，在“全隧道”構(gòu)想的基礎(chǔ)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(gòu)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(shè)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(fēng)險，但該方案仍具有較好的可行性?；诂F(xiàn)有技術(shù)并著眼于未來發(fā)展趨勢，隨著經(jīng)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。