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      基于智能機車的小斷面渤海海峽跨海隧道構(gòu)想

      2021-09-24 03:33:12張佳樂宋克志莊肅坤駱俊浩
      現(xiàn)代城市軌道交通 2021年9期
      關(guān)鍵詞:跨海斷面隧道

      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。

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