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第45期 对渤海湾兴建跨海通道有关问题的思考

2019-7-22 15:46

52监测网专家报告分享-第45期 对渤海湾兴建跨海通道有关问题的思考 孙钧 同济大学隧道与地下工程研究所 中国科学院院士


52监测网专家报告分享-第45期

对渤海湾兴建跨海通道有关问题的思考
孙钧 同济大学隧道与地下工程研究所 中国科学院院士

人物简介

孙钧,男,祖籍浙江绍兴,1926年10月生于苏州。1949年6月上海国立交通大学土木工程系毕业,获工学士学位。早年(1954~1956)随苏联桥梁专家И.Д.斯尼特柯教授学习并担任专家技术口译,修毕副博士学位课程并写作论文。1980~1981年去美国留学,在北卡罗莱纳州立大学任高访教授。
1952年秋全国院系调整,转调同济大学任讲师(1953)、副教授(1962)和教授(1979)迄今。1958年秋加入中国共产党。我国首批博士研究生导师(1981)。1991年经选任中国科学院(技术科学部)学部委员、1993年后改任院士。特许注册土木工程师(岩土)。享受首批国务院特殊津贴。

前言

渤海湾跨海通道是沿海国道的重要组成部分。国家长期战略发展规划中有关交通运输部分:沿“同三国道”沿线的“烟大跨海通道”是其重要组成部分,早在上世纪80年代末就已开始筹划。目前急需着手工程前期筹划工作;海域地形地貌和海上地质、地震和水文勘察,也要积极进行;几个专题要及早立项开展研究。

目录

一、在建设跨海通道必要性方面,对一些疑议问题的商榷;
二、跨海通道选用建隧方案的优势及对若干关键技术问题的浅识;
三、渤海湾长大海峡隧道施工方案与工期估计;
四、结语和说明

内容简介

一、在建设跨海通道必要性方面,对一些疑议问题的商榷

1、关内外交通运输量增长的需求,是跨海通道建设位列首位的决定性因素

从有关的可信资料,以下列见几项有关交通运量的历时增长数据,可以说明问题:

 
从上表数据可见,就当前1-3年内,现在提供关内外联系的铁路运能似尚能满足需求;但从4栏与5栏相比照,在5-7年后,由于环渤海湾城市群建设及其产业的蓬勃发展,以2018年现有铁路运能看,将感“捉襟见肘”,如仍然采用为增加运能而另外再在旧线上增加列车(现有旧线、特别是津浦段的运能当前即已呈饱和),似已无多大余地,且运输线路绕行过长,运行时间上也化不来,及早适时兴建跨海通道将势在必行(更应注意跨海通道工程量巨大,其施工期长的时间差)。需要指出,跨海通道即使今天开建,也最早需在本世纪30年代中叶才能竣工通车,投入运营,并不是“今天动、明天用”呀。

设2020年启动开建,最早也得2035年才能竣工通车。故此,上面说的从现在之后的5~7年,隧道还正在加紧施工中,远未能投入那时国家经济发展使用而产生效益;而到2035年通车后,的需要恐已早感工程施工进度远远跟不上了,是一种建的已太晚的形势啊!

2、在交通运输便捷性方面

如乘坐高铁,要经天津中转,快车和货车其速度就更慢、耗时约耗时10个小时以上,普通将更长;乘飞机“烟↔大”直飞仅45分钟,但其运量过小;渤海口有直达轮渡,也约需6~7个小时。在“时间就是金钱”、人们工作生活和货物运输节奏普遍都要求加快的现代人生,如何做到交通便捷、顺畅、舒适,应是旅程的首选。
此处的跨海隧道长约125km,连带两岸接线,据有关研究资料说明,全程约需40分钟(列车洞内运行时速设定为250km/h),这可能太过于乐观了。我所了解的英法海峡隧道全长约是因为:51km,隧内安全行车车速仅设定为130km/h。这隧道内为密闭空间,车速如果过高,将导致车头迎面和侧面的风压骤然猛增,其风压力足以使列车车窗玻璃粉碎;同时,风压高了也将导致洞内列车运行噪音进一步加剧,吵得乘客不能忍受。
英法海峡隧道因研究洞内通风问题十分精细透彻,当年被国外业界誉为“Airdynamicstunnel”,它设定的上述标准是有相当的理论和实验依据的。当然,此处渤海湾隧道如能采用多种合理的泄风压措施,诸如:顶板增设排风通道;侧面双洞间多设横向水平联络通道等进行排泄、以降低气流风压,则有望将洞内车速提高至180~200km/h甚或以上,估计也需要1个小时左右才可跑完全程。它较之上述的陆上绕行,加快了多少倍啊!

3、通道建成后的区域受益方面

从网上看到,“不同意现在就建”的一位专家的反面意见,说:“如果今天的大连市能达到上海的经济发展水平,而烟台又已具备今天深圳市那样的创新科技局面,那我当然赞成现在就建;否则,我意可以暂缓”。他把这条通道的作用只局限地看作为该两座城市间局部地域的交通联系问题了,也忘了工程施工决不会一蹴而就,还得待10多个年头后才能建成通车啊。到那时我国北方地区经济发展又该是什么局面了?为此,上述看法笔者不敢苟同。

“烟—大”跨海通道是我国沿海交通发展规划中“同三国道”(黑龙江省同江市—海南省三亚市)的重要组成部分。现在杭州湾大桥已通车多年、琼州海峡火车客货轮渡也早已开通使用许久了;所以,建设渤海湾跨海通道,它日后的服务面和将为此受益的区域范围可说是因通畅了南北交通联系而带动:北达京津唐、大连、沈阳、长春、哈尔滨等诸大城市及所属省、市的广大地域,向南又将遍及济南、烟台、青岛、徐州、连云港、合肥、南京以及苏锡常、上海、杭州等长三角发达地区,乃致其间接受益面恐更将影响我国东部整片锦绣大地。所以,不能只看到烟台、大连两地,而应着眼南北和关内、关外的极大片我中华沃土,更又辐射全国的经济、产业发展,都将为之受益和得到促进,产生巨大的正能量。本通道建设的意义非同一般呀!
正如今天的港珠澳大桥一样,它是我国发展南方的粤港澳大湾区宏伟计划的核心,今后本跨海通道建成后,将对环渤海湾南北沿海岸区广大地域的技术创新和经济发展的促进将有望媲美京津唐、长三角、珠三角和上面说的粤港澳大湾区。当前行时的说法是,增加区域间的相互融合将促进更大地域范围的经济增长,而交通运输的发展,正是“要想富、先铺路”,有一种必然的可喜前景啊!

4、关于兴建本工程的时机

国外很早前就有如下说法,甚至已是一种不成文的默契,是说:“一项工程建设,如果从各种需求上作测算,要等到工程建成后起算的8-10年后才能达到所需求的各项经济指标时,则目前可以缓建;如果现在或建成后的3-5年以内其需求指标就要达到和实现,则应该马上就开建(都要着重关注工期,即需要的施工时间);而如果测算得在建成后的6、7年内可实现需求指标,则需审时度势,看当时、当地实际情况和主客观条件,经妥慎研究后作出现在修建与否的抉择”。我非常同意以上论点。

此处的跨海通道,无论是修桥还是建隧,因规模十分宏大、技术复杂,还可能在施工期间遇到各种不可预测的突发性、随机性风险(如:工期预测不准、地震灾害、作业面大量突湧水、出现未预勘到的重大地质灾变事故,或者施工期间爆发战争,等等),笔者预估的竣工通车工期(连同地质和海床水文详勘,需耗时两年或更长)当在15~18(20)年左右2020,而决不是只化一、二年能就一蹴而就的!如果设定年正式兴工,通车时间就最早也已经是2035年了。那时国内经济形势的可持续发展已经会到什么程度了啊!今天就抓紧各项前期工作,促使早日开工建设,还会嫌早吗?

5、建立工程各项前期工作的协调机制

我意现在就亟需在国家层面建立工程各项前期工作的协调机制,在国家审批通过后,积极开展“预可”、“工可”研究,并视条件和可能、抓紧进行有关海床地形、水文、工程地质与地震地质以及海床水文等等方面的各种详勘工作;工程投融资方式和社会效益与经济效益评估分析等各项工作也都待抓紧开展,时不我待、事不宜迟呀!

6、施工风险问题

这方面的前期研究工作中,现已见发表有多篇相关论述,提及的各种主要的施工和运营风险分别都达10多种,并采用各种方法进行了相应的风险评估,这些都很好,有必要去做详细分析,并似宜将重点放在风险对策预案和与之相对应的采用各种设定的工程整治措施方面。
工程“风险”与“危险”不同,只要预先测算或估计得到、并做到预判准确及对其严重程度先有一定有据的预判,则绝大多数工程风险都是可以规避的、可控的,也是能有办法解决的。其要点还是早年毛主席对北京造地铁曾说过的:“精心设计、精心施工”。我看这话现在还很管用。

在各种各样的隧道施工风险中,我认为最为要害的,可能是:由于海床水情和地质上的漏勘和误勘,以及施工中的超前地质预报工作有重大失误,所导致的重大技术风险。

此处拟再对渤海湾区域地质缺陷和可能导致的地质灾害及其工程整治对策问题,简述如下:渤海湾海峡灾害地质相对发育、其类型多样,这是必须着重关注、采用应对措施得当最大的长期持续风险;而浅层沼气异常发育,潜在的岩浆活动也不容忽视。

利用穿过渤海海峡的多条单道和多道地震剖面,详细弄清楚该湾区的新构造运动特征。在渤海海峡活动断裂发育方面,以NW和NE向为主,表现为同生性和集束性;浅层气发育,与蓬莱油田具有较好对应关系,显示其为深层来源;新构造期岩浆活动与区域活动断裂也具有较好的对应性。故而,跨海通道的建设在地质问题处理上难度巨大,后续应进行严格、详尽的风险评估,并采取有效的安全避让措施于现在基础资料十分匮乏,也就只能先说到这里了。

二、跨海通道选用建隧方案的优势及对若干关键技术问题的浅识

渤海湾跨海通道中“蓬莱—长岛”一线(占工程全长的一小部份)的南边一小段,由于有长山列岛的众多小岛群(庙岛群岛,到北隍城岛止)为过渡、且又水深较浅,桥基工程量相对会小得多,似可作桥、隧不同建设方案的比选(相信已经做过了);

而再向北的主体一大段海域,因水深加大(最深达40m以上)、又基本上没有小岛作过渡,可行的方案当首选Floatingimmersedbridge海底高速铁路隧道。至于修建悬浮式水中桥(或称悬浮式海底隧道——Floatingtunnel)还只是一种可设想的比选,由于国内外均尚未有过这类实践,如立时即在如此宏伟的深水长大海上工程中贸然采用,可能因其施工和运营的风险程度都过高而难于被审议通过。

选择建隧的技术优势,主要表现在以下各个方面:

海面台风和浓雾、地震频发等恶劣气象、地质条件,对建桥言都将是严重的制约因素。而与桥梁方案相比,选择建隧的技术优势,主要是:

其一:能够全天候通行,隧道过海对风、雨、雾、震都基本无阻,对海工、港口和航运方面也没有不可克服的大的障碍和不利影响。而建桥方案在海上高60m以上的桥上行车,将遇一定的翻车风险(尽管桥侧设置了人工风障屏),甚至因受恶劣天气的制约而封桥;

其二:隧道深埋于地下,即使在大地震情况下,除了洞口重点部位设计时需要作抗震加固外,其主体隧洞的抗震性能优良,在地层岩盘的围护下因遭受震害而破坏的几率比地上建(构)物和大桥等相对地都要低的多;

其三:相对大桥跨径﹥1000m后的桥梁主跨言,与岩盘稳固、节理裂隙不发育且渗水量不大的隧洞围岩相比,在工程造价方面,采用钻爆法开挖隧道的资金投入将比特大主跨桥梁的费用为低(用青岛湾口海底隧道建成后与若建桥的相互财务决算比较为实例作说明);但对小跨引桥而言,则一般的大桥引桥造价都比隧洞造价为廉。此处,由于大部分海域水深达三、四十米,水下和桩基工程量都太大,可能对建桥还有相当技术难度,的困难而受制约。

一般还认为,水下隧道位置隐蔽,利于战时防护,受破坏的几率较小。对此,现时国内业界的共识是,这种看法是不正确和不全面的。由于当今的卫星探测能力非凡提高;激光制导的导弹和飞机投弹的命中率都在5m以内,弹体爆炸后产生巨大冲击波导致的破坏力极大,即使不直接命中,也会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严重毁损而又修复十分困难,较之桥梁战时受损(较易修复)实在是有过之而无不及;故此,的优点而反而成为了难以克服的劣势!

三、渤海湾长大海峡隧道施工方案与工期估计

1.特长岩石隧道的开挖施工,应以采用隧道硬岩掘进机(TBM)为主;但计及钻爆法开挖的机动性好及其适应面广的特点,拟建议此处以钻爆法为掘进机开挖的辅佐和配合,作为正、副两手考虑,可能是合适的。此处,在上、下行主隧道之间,与之相平行地增设辅助性的服务隧道也将是十分必要的。

2.隧道越海施工方案跨海隧道横断面布置的不同方案,如表1所示。施工中可考虑选用的国外现成(可以现购)的几种TBM机械设备。此处如感尺寸不合要求,则另需量身定制。

表1跨海隧道横断面布置的不同方案
 

此处,主要由工程建成后8-10年内交通运量增长(要对长远期的运量发展作有据预测)的当前估计,并暂定选用表1中的第2(高铁,单线、双洞)施工方案为依据,以进行后续粗估的方案实施与。

以下对隧洞施工工序和所需工期作预估测算,此处暂按表1中的方案2(即铁路单线、双洞):主洞Ф8.0m,服务隧道通过小直径服务隧道的技术关键Ф5.5m考虑。主隧道大洞TBM作定制设计加工,将主洞机作业舱,先拆卸、支解成一分为TBMTBM四在于:需专门对的大刀盘、中间主块主轴承和掘进;机后车架部分也拆零后先拖进服务隧道小洞,在横向一侧的平洞口处打曲线转弯,弯口做成放大尺寸的弧形空间;另外,在主洞作业面后方约180m空间处作拓宽、拓高,容得有空间地位再用机械手将大尺径TBM重新组装成整体。平洞转弯处和作业面后方再加大180m地段,均先用钻爆法开挖成Ф10m的大洞,即比主洞直径~2m。

3.跨海隧道施工方案的实施按表1中的方案2,拟将上述跨海隧道的施工方案,再分为以下2种子方案作比选后实施。

第1子方案:中间服务隧道先行,用作施工期的辅助通道(Ф5.5m),主洞大型TBM(Ф8.m架部份均需先拆卸成块(机子中央的4m)的主体和后面车核心主轴承块是个整体,它不能拆解),以便从服务隧道和平洞中进入主隧道内,经在主洞内再组装成一体后以便开挖掘进。在主隧道起始段(平洞进主洞的两侧各~180m),先用钻爆法成洞,其长度应大于TBM全长再加~40m,毛洞高、宽均扩挖2m,以便TBM及其后配套的车架均能先在洞内重新组装,然后再开挖掘进。

第2子方案(备选):主洞起始段(~180m)先用Ф5.5m的小型TBM机开挖(但在经横洞时,如用钻爆法开挖形成曲线型弧形大洞段,则不需要拆零);主洞先形成Ф5.5m的小洞,随后再用钻爆法扩挖成型。当然,也可以改用先将横洞扩挖成弧形大空间,使Ф5.5m机子在打弯进主洞时不需要先拆解。

上述子方案之2,多年前在终南山秦岭铁路隧道复线曾已成功采用,随后更又利用此复线铁路洞子作为服务隧道,在其一侧沿隧道纵长加打了8条施工平洞,为侧翼后续施工的高速公路秦岭隧道(18km)增设了16个作业面,所谓“长洞短打”,从而大大缩短了后者的工期。当时铁路和公路双方成功合作,曾传为学习雷锋典范的佳话!从后面所述的隧洞工期进度分析情况看,此处先设定暂按第1子方案实施。

跨海隧道工程属在深海岩盘内掘进开挖的特长大过海隧道,其暗挖段部分可能长达~125km,然后再联上两岸地面接线。由于海床地形、地质情况目前尚不明其详细,隧道埋深和纵剖面线形走向、纵坡等均不可能准确确定,故影响隧道暗挖段的线形和长度也不能在此有据确定。

4.对工期的粗略估计

(1)极粗略的“成洞”综合定额
这里说的“成洞”,不只是完成毛峒开凿(土石方作业)和洞室的构筑衬砌,而是还包含了:TBM洞内拆装、各专业用开凿并室内技术设施、设备安装就位,以及隧道通风、供电、照明、给排水、高铁列车接触网架设、无碴道床和铺轨等必要的所有作业、全套竣工完成在内。因此,其“成洞”综合定额只能是十分粗略的。
集完成以上一整套工种的综合定额指标,国内外业界现在都还没有,此处,只是笔者前些年从几位老学长和老学生们(现在都已咨询和学习中得到的是隧道界有声望的专家了)调研、。这当然只是极其粗略的,待将来施工组织设计出来,定将有不少大幅度的细化和修正。

(2)就如上述的具体情况而言,似应有以下4点需着重考虑:
1)利用建设筹划阶段(有关方曾说,约需3~5年,含地质、水文各项海上详勘工作)的同时,作为围岩地质、水文探洞,可同步进行服务隧道的开挖支护。工期安排在该工程筹划阶段就先行同时进行;主洞进洞则定然要在这一切完成(含初步设计)之后再允许开展。
2)利用服务隧道,从其两侧横向开凿施工平洞,设定主隧洞可分成5个区段作“长洞短打”,各为125km/5=25km/区段,先后进行流水、平行作业。跨海通道全长按125km计,均按建隧方案考虑,作施工工期预测;
3)服务隧道则只能南、北向单头掘进(只有到了中央最后一个区段,才为双头对打),Ф5.5,按330m/月成洞估算,其年掘进330m×12月≒年34km/年。这样,服务隧道一个区段25km要耗时6个月打通(这里也是指上述的“完全成洞”);
4)左、右两条主隧洞,按分割成的5个区段,共设4条横洞,整条双线隧洞共打,因为是大尺寸隧洞(Ф108.0个掘进作业面,按双头对),其石方量将是服务隧道的一倍多,单头进度暂按Ф5.5折半计算,即进尺减缓为按单头165m/月(均天进尺约5.5m);双头对打后,2头×165m/月×12月≒4km/年,一个主隧道分段25km“完全成洞”也需耗时个区段,即全长125km隧道共需6年3个月;总共519年能以全部完成(由2020年初到2038年9月)。这是笔者现在的认识。

(3)如上述,假设2020年为筹划的起始年,则粗略设想的工程进度——施工组织安排,见图3和图下说明。


(4)其它专业用洞室建设
这里还需要强调指出:特长大隧道决不只是图上所绘的两条直线,除了主体隧道和服务隧道以外,它还定然要在隧道内部设置以下各个专门的许多专业需用的各种专用洞室,其大小不一、位置各异,但均不可或缺。

四、结语和说明

1.竣工通车如上所述,如预期从2020年规划筹建时刻起,大体将历时19年,要抓紧土建及后续配套的风、水、电和铺轨作业,使能同步竣工。这样,将在2039年左右大功告成实现通车。届时,按国家远景发展规划,为全国实现我中华民族伟大复兴之年(2049年)的前10年,跨渤海湾南北两岸将共襄“世纪之梦”,完成关内外两岸结为一体的圆梦盛举!

2.说明以下方面的问题,这里介绍时未能涉及,它们是:
1)海底隧道合理的最小埋置深度研究;
2)隧道掘进机(TBM)选型及其在深海岩盘中掘进的工程应用与问题;
3)钻爆法开挖施工机具设备的成套配置与评价;
4)长大隧道掘进中地质与施工信息的智能管理以及智能监控系统专用软件的研制与开发。


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