越江(跨海)工程的橋隧方案比較

孫羹堯

(上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院，上海 200031)

0 引言

在籌劃跨越較大江河、湖泊和海洋工程時，進行項目論證經(jīng)常遇到的大方案就是采用橋梁方案還是隧道方案，或橋隧結(jié)合跨越方案。國內(nèi)外對此均有討論和探索，采用了各種方法或模型進行比較。文章就此議題，結(jié)合近年來上海建設(shè)的一些越江工程展開討論。

1 近年來黃浦江越江工程的橋隧比選

自建設(shè)上海黃浦江第一座越江工程前期直至立項和以后的工可階段，曾對究竟是建橋還是建隧作了長期、多次、反復(fù)的比較和論證。隨著改革開放以來黃浦江兩岸發(fā)展和城市道路、地鐵、輕軌、鐵路、公路交通對越江工程的需求，黃浦江上建成了37座橋梁和隧道。如表1所示。

表1 黃浦江越江工程一覽表Table 1 Projects crossing Huangpu river

續(xù)表

已建成和在建的37座越江工程中，橋梁12座，占32.43%(不到1/3)。黃浦江上修建的大橋從下游溯流往上，依次為楊浦大橋、南浦大橋、盧浦大橋、徐浦大橋、閔浦大橋、奉浦大橋、閔浦二橋、松浦大橋(原名黃浦江大橋、車亭大橋)、松浦二橋、閔浦三橋(松衛(wèi)大橋)、橫潦涇黃浦江大橋和辰塔黃浦江大橋。其他越江工程均為隧道。目前，自下游往上，除了沿江通道隧道、周家嘴路隧道、龍水南路隧道和虹梅南路隧道在建外，其余如外環(huán)線泰和路隧道、長江路隧道、復(fù)興東路隧道、西藏南路隧道、打浦路隧道等19座均已建成運營中。除了外環(huán)線泰和路隧道是沉管隧道外，其余都為盾構(gòu)隧道。

在近年來市內(nèi)新建的黃浦江越江工程基本趨勢是選擇隧道居多(其中軌交地鐵過江，更順理成章地采用隧道)，越往上游(亦即越遠離市區(qū))，越有可能建橋。盡管在建橋還是建隧的爭議中，常有所謂“建橋派”和“建隧派”的說法，但筆者認(rèn)為，在一個城市中某處建橋或是建隧，不能光從狹隘的專業(yè)角度去評判、選擇，而應(yīng)當(dāng)跳出單純的建一座“橋”或“隧”的有形工程構(gòu)筑物去考量它的意義，從更大范圍和更長時間段內(nèi)兼顧各方面因素綜合比較，盡可能使其建設(shè)決策符合客觀要求，并經(jīng)得起時間檢驗。上海黃浦江上游橋梁分布如圖1所示。

圖1 上海黃浦江上游橋梁的分布圖Fig.1 Layout of bridges crossing Huangpu river in Shanghai

2 國內(nèi)外越江橋隧工程案例

2.1 國內(nèi)的橋隧工程

從全國范圍看，目前，跨越長江的橋隧工程中，如果將長江的正源上游(通天河、沱沱河)的橋梁也計算在內(nèi)，跨江橋梁已有102座以上，冠以“長江大橋”的大型橋梁超過65座，占越江工程的絕大部分。除了少量特殊用途的輸水、輸氣、通信、電力等管道、小口徑隧洞外，穿越長江真正服務(wù)于公路、鐵路、城市交通(輕軌、地鐵、公交等)采用隧道的屈指可數(shù)，如武漢長江隧道、南京長江隧道和上海長江橋隧工程等。而且，已建越江隧道工程都位于沿江大都市中。可見目前我國的特長越江、跨海工程中，選擇隧道的還比較少。

我國近幾年建造的杭州灣2座大橋、青島—黃島大橋、上海東海大橋和舟山連島大橋等工程體現(xiàn)了我國在深水基礎(chǔ)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工、抗風(fēng)、抗震、應(yīng)對復(fù)雜海況、防腐、防撞等方面的技術(shù)進步。

國內(nèi)如武漢長江隧道工程、港珠澳橋隧工程、渤海灣跨海工程、舟山連島工程和廈漳海底隧道等，在立項開始及項目可行性階段都曾經(jīng)有過橋與隧的方案比較。而更大規(guī)模的跨海工程如連接山東半島和遼東半島的渤海灣跨海工程、瓊州海峽跨海工程和臺灣海峽跨海工程等更是有建橋還是建隧，或橋隧結(jié)合方案的提出。其中渤海灣跨海工程的方案研究中，文獻［1－2］對渤海灣通道形式及可能的線位、通過方式做了很有價值和相當(dāng)深度的比選、論述。其比較一致的結(jié)論是在全隧道、全橋梁和橋隧組合3個方案中，采用全隧道方案為最優(yōu)。文獻［3］認(rèn)為跨越瓊州海峽的工程宜隧不宜橋。文獻［4］對16個比選因子進行比較后，結(jié)論是采用隧道方案為優(yōu)。文獻［5］提出了全隧道過海的推薦方案。

2.2 國外跨海工程的成功實例

1)跨海大橋。國外成功的跨海大橋如橫跨歐亞大陸、建成于1973年的博斯普魯斯海峽大橋(全長1 560 m的懸索橋)，日本多多羅連島跨海大橋(連接生口島—大三島，主跨890 m斜拉橋，全長1 480 m，1995年建成)。隨著大型橋梁建造技術(shù)的日趨成熟，橋梁的深水基礎(chǔ)、大跨度懸吊結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震技術(shù)的發(fā)展、高強高韌材料的應(yīng)用，使得在淺海、大陸架上、大江大河的入海口修建跨海大橋不再是可望而不可及的美麗夢想。

2)海底隧道。1993年建成的英法海底隧道(全長48.5 km)、1971年建成的日本青函隧道(全長53.86 km)等。在方案選擇階段，除了明顯沒有建隧可能以外，幾乎都有過橋隧比較的論證。至于隧道方案采用盾構(gòu)法還是沉管法施工(如丹麥斯多貝爾特海峽橋－隧越海工程)也有不同的方案比較。而到底采用橋或隧，隧道施工用鉆爆法、掘進機法還是盾構(gòu)法、沉管法，擬建場地的地質(zhì)和水文條件，往往是很重要的考慮因素。

近幾年來隧道設(shè)計施工技術(shù)(包括沉管隧道)的飛速發(fā)展和提高，也使過去認(rèn)為只能修橋的跨河、跨海通道，多了個修建長大隧道的選項和有了實現(xiàn)的可能性。有研究表明，一般情況下，造橋的造價低于造隧，且難度相對較小。但如果在場地地質(zhì)較好、跨越的長度足夠大、水文(海況)條件困難或所處航道十分繁忙的越海通道處修建水下隧道，其每米的造價大致與每米橋梁相當(dāng)，甚至還低于橋梁。如跨越英吉利海峽的英法海底隧道方案無論是采用掘進方式還是沉埋式隧道，據(jù)測算，其造價只有建橋方案的一半。

3)橋隧結(jié)合工程。建于1996年的丹麥斯多貝爾特海峽橋－隧越海工程(總長18 km，其中隧道7.9 km;西側(cè)公鐵雙層橋長6.6 km，東側(cè)跨深水航道的高架橋長6.8 km)、建于1996年的日本東京灣橫斷道路工程公路(隧道9.1 km，橋梁4.4 km)等。

3 橋、隧工程方案比較的考慮因素

作為方案階段的比較，可以從需求、可行、效益、安全性及可持續(xù)發(fā)展等多方面因素進行橋、隧或橋隧結(jié)合方案的綜合比較。這種比較是基于當(dāng)前的橋隧建造水平，并能體現(xiàn)以最合理的投入取得最佳的社會和經(jīng)濟效益。

3.1 需求

3.1.1 交通量需求

作為跨越江河、海峽或連島而修建橋隧，交通量的增長是最基本的需求和動力，而且流量的多少和載重量的大小往往決定是否選擇橋梁或者隧道及其規(guī)模。

3.1.2 城市或地區(qū)的規(guī)劃及發(fā)展

大江大河海峽阻隔了兩岸人員來往，影響經(jīng)濟的發(fā)展和平衡。正因為有上海、浦東開放發(fā)展的需求，才有了黃浦江上幾十座越江工程的建設(shè)。城市或地區(qū)的規(guī)劃及發(fā)展對究竟建橋還是建隧，還是有著不同的要求。在類似上海、武漢、香港、重慶和廣州等有江河分割或臨海的大城市，隨著城市規(guī)模的不斷擴大和人口的急劇增長，土地作為不可再生的資源日益短缺。撇開地質(zhì)條件和技術(shù)因素以外，“寸土寸金”亦即土地及動拆遷成本是在規(guī)劃或選定越江、跨海線位時必須考慮的重要制約因素。相對而言，隧道方案一般比同樣長度的橋梁方案占地少、拆遷量小。這也是為什么近年來上海市黃浦江越江工程越接近市中心，人們就越傾向選擇隧道而不是橋梁。在人口密集、既有建筑林立的大城市中，“線位”也是一種極其寶貴的資源。在城市或地區(qū)的規(guī)劃中，面臨眾多制約條件，“線位”可以調(diào)整、選擇的余地很小，在某些情況下，它甚至是唯一的。

3.1.3 人文和景觀

人文和景觀是工程建設(shè)中的重要組成，橋隧比較同樣如此。隧道大部分在水下，似乎景觀先天不足以與橋梁相比較，但是，隨著長大隧道、城市隧道的建設(shè)，隧道的進出口形態(tài)、通風(fēng)井的設(shè)置與造型等同樣是不可忽視的一環(huán)。

3.2 可行

選擇橋梁或隧道或橋隧結(jié)合要考慮技術(shù)和經(jīng)濟的可能，且必須兼顧各種外部條件的制約。在某些情況下，通常認(rèn)為的一般性條件，甚至?xí)仙山蚧蚪ㄋ砣∩岬臎Q定性因素。應(yīng)予以考慮的因素有:

1)航道要求。通航凈寬、凈高、航道深度、船只防撞。在通航河流或近海海運航道繁忙處建隧一般總要比建橋有更好的航運適應(yīng)性。

2)水文(海況、潮汐等)、水流沖刷和泥沙沉積、工程地質(zhì)。

3)氣象條件。臺風(fēng)、冰封或流冰。在我國的沿海和南方，歷年的臺風(fēng)和北方冬季河流的封凍、流冰或海冰對橋梁的威脅很大，而對隧道幾乎沒有影響。

4)技術(shù)上的可行性。①設(shè)計能力;②工程經(jīng)驗和風(fēng)險，施工水平;③能滿足設(shè)計力學(xué)性能和耐久性的材料。

5)經(jīng)濟上的可行性。①靜態(tài)工程造價;②內(nèi)部收益率;③運營維護成本(考慮全壽命周期成本);④資金籌措和投放、回報;⑤整體、長期效益。

3.3 安全性

1)工程場地地震安全性;2)抗風(fēng)穩(wěn)定性;3)防災(zāi)、逃生與救援;4)國防、戰(zhàn)備;5)可持續(xù)發(fā)展;6)耐久性與全壽命運營;7)對環(huán)境影響的評估。

以上各種考慮因素可以分層次、按階段漸次展開分項調(diào)研、論證。在對橋隧方案的前期研究中，開始引入風(fēng)險評估、建立數(shù)學(xué)模型、評估指標(biāo)體系、層次分析法等方法、手段，做了許多有益的嘗試。建設(shè)前期的調(diào)研分析和比較論證工作做得越充分，考慮的因素越全面，將來建設(shè)期間的投入越接近合理，項目的失誤就越少。我國近年來一些較大的橋隧工程，凡是有較充分的前期論證和準(zhǔn)備的，后期的建設(shè)和建成之后的經(jīng)濟社會效益就較好，比較能經(jīng)得起歷史的檢驗。

如已建成的上海崇明跨越長江口的越江通道，在建設(shè)前期對線位及過江工程的南隧北橋、全橋、全隧方案做了比較充分的論證和比選，最后采用的是南隧北橋方案。亦即以盾構(gòu)掘進通過長江南港主航道，在長江口的南港和北港間的長興島出洞，再以上海長江大橋通過長江北港到達崇明島。在崇明陳家鎮(zhèn)落地與島上的路網(wǎng)溝通選擇了南隧北橋方案，使得長江口進出的南港深槽主航道不受影響，利用長興島作為隧道的通風(fēng)井位置和橋隧轉(zhuǎn)換過渡之處［6］。既充分利用了地形地物，又降低了工程造價，同時溝通了2個島(崇明島和長興島)的交通，推動了區(qū)域發(fā)展，達到了社會效益和經(jīng)濟效益的統(tǒng)一，是一個橋隧結(jié)合工程的成功范例。

4 結(jié)論與討論

1)從近年來上海建設(shè)的越江工程來看，初期在中心市區(qū)選擇建橋較多，隨著盾構(gòu)技術(shù)的日趨成熟和市區(qū)拆遷成本的越來越高，越來越傾向于選擇隧道方案;跨黃浦江的橋梁則往其上游選址。

2)國內(nèi)外較成功跨越較大江河、湖泊、海洋工程的橋梁、隧道、橋隧結(jié)合的工程實例表明選擇何種形式跨越，應(yīng)基于當(dāng)前的橋隧建造水平，綜合考慮各種因素并能體現(xiàn)以最合理的投入取得最佳的社會和經(jīng)濟效益。

3)在比選中，各種考慮因素可以分層次、按階段漸次展開分項調(diào)研、論證，并引進行之有效的定量分析方法予以分析探討。

4)目前橋隧方案的比較大部分以定性分析為主，如何建立符合實際的工程數(shù)學(xué)模型，通過定量與定性的有機結(jié)合，探討切實可行的比較方法，使橋、隧或橋隧結(jié)合方案在比選中更貼近實際并減少失誤。

［1］ 譚忠盛，王夢恕.渤海海峽跨海隧道方案研究［J］.中國工程科學(xué)，2013(12):45－54.(TAN Zhongsheng，WANG Mengshu.Scheme study of Bohai Strait cross-sea tunnel［J］.Engineering Sciences，2013(12):45－54.(in Chinese))

［2］ 宋克志.渤海海峽跨海通道橋隧方案比選研究［J］.中國工程科學(xué)，2013(12):4－9.(SONG Kezhi.Study on scheme comparison of bridge and tunnel for Bohai Strait cross-sea channel［J］.Engineering Sciences，2013(12): 4－9.(in Chinese))

［3］ 譚忠盛，王夢恕，羅時祥.瓊州海峽鐵路隧道方案初步比選分析［J］.中國工程科學(xué)，2009(7):7－15.(TAN Zhongsheng，WANG Mengshu，LUO Shixiang.Scheme comparison ofQiongzhou Straitrailway tunnel［J］.Engineering Sciences，2009(7):7－15.(in Chinese))

［4］ 林立彬.營口市遼河跨河通道工程橋隧方案初選［J］.北方交通，2013(1):31－36.(LIN Libin.Original selection of river-crossing passage bridge-tunnel scheme of Liaohe River of Yingkou［J］.Northern Communications，2013(1): 31－36.(in Chinese))

［5］ 孫鈞.臺灣海峽隧道工程規(guī)劃方案若干關(guān)鍵性問題的思考［J］.隧道建設(shè)，2014，34(1):1－9.(SUN Jun.Views on key technical issues of construction of Taiwan Strait tunnel［J］.Tunnel Construction，2014，34(1):1－9.(in Chinese))

［6］ 陶履彬，張奎鴻，汪炳鑑.長江口越江工程方案比選風(fēng)險評估［J］.上海公路，2004(1):11－15.(TAO Lvbin，ZHANG Kuihong，WANG Bingjian.Risk analysis of the bridge scheme and tunnel scheme for the Yangtze River crossing project at the Yangtze River delta［J］.Shanghai Highways，2004(1):11－15.(in Chinese))