烟台—大连海底真空管道高铁线路方案研究

张耀平

(西京学院真空管道交通研究所， 陕西 西安 710123)

0 引言

由于渤海海峡阻隔，我国山东半岛和辽东半岛隔海相望，两大经济区块之间的交通运输不得不迂回上千km绕行渤海湾，严重制约中国区域经济均衡发展。早日启动烟台—大连海峡通道工程建设，对促进环渤海地区经济社会发展，以及我国向北开放战略和高质量发展战略，具有重要的现实意义[1-3]。

刘良忠等[4]分析回顾了渤海海峡跨海通道设想及历程； 张跃玲[5]对渤海海峡跨海通道桥隧规划方案进行了比选分析。渤海海峡烟台—大连之间直线距离约106 km，庙岛群岛、长岛、砣矶岛、大钦岛、小钦岛、南隍城岛、北隍城岛自南向北链状呈列，海深较浅，海底地形平缓，地质条件对通道建设工程而言相对优越，是渤海海峡通道建设的适当路径范围。张耀平[6-7]在第十一届台湾海峡通道研讨会上提出海底真空管道交通构想，分析其结构特征，提出台湾海峡海底真空管道线路走向初步方案。从已有的跨海通道工程经验、成功案例及最新研究来看，共有5种可能的快速跨海通道技术方案选项，即跨海大桥、海底隧道、沉管隧道、悬浮隧道(submerged floating tunnel, SFT)和海底真空管道。宋克志等[8]对烟大渤海海峡隧道的可行性进行了初步研究； 谭忠盛等[9]、王云龙等[10]对渤海海峡跨海隧道方案及部分施工技术进行了研究。跨海大桥、海底隧道在跨海通道建设中已得到广泛应用，施工技术成熟。一般而言，跨海大桥更适合近岸浅海，而海底隧道能适应较深海域。二者对于烟台—大连通道均具有可行性，也是一直以来渤海海峡通道技术方案的默认选项和论证重点。

然而，上述研究未涉及渤海海峡海底真空管道技术方案，可能会产生比选方案不全面、不充分问题，进而错过创新发展机会。沉管隧道结构庞大，要求河床或海床平缓，仅适合短距离浅水域，不适合作为距离较长的渤海海峡的主导方案； 悬浮隧道是被理论界看好的跨海交通新模式，但目前尚未有实际应用，近期实施的可行性也不明朗，因此渤海海峡通道暂不必考虑。由于真空管道对海底环境具有特殊优越性，因此海底真空管道作为真空管道交通的先行先试工程具有必要性、可行性、可能性。本文对海峡通道的海底真空管道布局及车辆结构形式、烟台—大连海底真空管道工程环境和线路走向等进行探讨分析，并给出初步方案建议。

1 海底真空管道的特征及优缺点

真空管道交通是近年来受到全世界高度关注的新型交通方式，具有断面小、结构轻型、集成度好等优点[11-13]，当作为跨海方案在海底建设时，成本低于跨海大桥、海底隧道。

海底真空管道具有许多独特优势： 1)海水为海底真空管道提供较恒定的低温环境，能够对管道内部实施有效降温； 2)海水为管道提供均匀浮力，不仅降低对管道结构强度要求，降低工程成本，而且海水能为管道及车辆的耦合振动提供阻尼，减小系统振动； 3)海底真空管道不占用陆地空间，能节省宝贵的土地资源，不影响其他生产作业活动； 4)综合成本低，计划建设中的真空管道管径3 m左右，比传统用于行驶火车和汽车的海底隧道断面小很多，尽管形成真空和维持真空需要消耗动力和增加成本，但综合成本可望低于海底隧道； 5)安全性高于海底隧道，不论施工阶段还是运营阶段，一旦发生重大破坏性事故，海底真空管道施工人员和乘客都可借助救生服或气密性车辆上浮逃生[14]。

跟海底隧道、沉管隧道和跨海大桥相比，海底真空管道面临的问题是： 研究开发工作起步较晚，研究力量和研究基础薄弱，全世界目前没有任何实施案例，甚至尚未有任何试验研究。跟海底隧道和沉管隧道相比，海底真空管道由于管径较小，内部要抽真空，不适合公路车辆进入行驶； 跟跨海大桥相比，海底真空管道高铁车辆视野受到局限，检查维修困难，遇到灾难性事故时乘客逃生与救援较困难。

由于海底真空管道高铁具有鲜明的技术优势和经济价值，虽然存在一定的不足与问题，但在充分论证和科学分析基础上，通过试验研究，分阶段试验线建设与验证，渤海海峡海底真空管道高铁率先实现具有可行性、可能性和必要性，其安全性能够得到较充分的保障。

2 几种可用于跨海通道的真空管道设置形式

真空管道作为跨海通道技术方案的选项之一，具体有5种可能的形式。

1) 海底高架。即在海床上修建固定墩台(管墩)，然后通过水下施工方法，把真空管道管段按要求的精度架设在墩台上，再用水下密封连接方法把所有管道固定连接，如图1所示[15]。

(a) 海底高架真空管道 (单位： m)

(b) 管墩

2)海底沉管与浅埋。若海水深度不大、海床较平缓，则可按沉管法把真空管道铺设在海床上； 或者在海床上开挖沟槽，利用深水深槽沉管安装设备将真空管道浅埋铺设，如图2所示。

图2 海底沉管/浅埋真空管道示意图 (单位： m)

Fig. 2 Sketch of submarine immersed or shallow-buried vacuum tube (unit: m)

3)海底隧道真空管道。在海底开挖隧道，再把真空管道铺设在隧道内，如图3所示。这种先开挖建隧道，再铺设管道的方式称为海底隧道真空管道，具体可考虑单管单向双管道模式，也可考虑单管双向模式。

图3 海底隧道真空管道示意图

由于真空管道断面较小，且管道均为预制，使得海底隧道真空管道建设采用顶管法施工成为可能。顶管法施工海底隧道真空管道将比盾构法和钻爆法施工的工程费用大幅度降低，施工进度更快。

4) 海上高架真空管道。此方案类似于跨海大桥的建设方式，即在海中修建桥墩(或称管墩)，再把管道架设在管墩上。为了提高海上高架真空管道的结构稳定性，也可先架设轻型桥梁，再把真空管道铺设在桥梁上；或者应用索拉桥建设方式，以利于在保持管道大跨度的同时提高稳定性。由于管道断面小、车辆轻型，在跨海通道具有同等通过能力和载运能力前提下，建设成本可望低于现有的公路、铁路跨海大桥。海上高架真空管道需要修建高管墩，对抗风要求较高，在水深大于30 m的海域综合成本会高于海底真空管道。因此，暂不建议作为渤海湾跨海通道备选方案开展进一步论证。

5) 悬浮管道。悬浮隧道或悬浮管道是理论上可行的跨海交通模式，但目前在理论上和实践上都存在一些尚未解决的问题，近期取得突破的可能性不明朗。因此，渤海海峡跨海通道目前不必把水下悬浮真空管道作为论证方案予以考虑。

3 烟台—大连海底真空管道高铁车辆模式与断面结构

渤海海峡通道建设的迫切任务是沟通南北，缩短山东半岛和辽东半岛之间的运输距离和旅行时间。因此，烟台—大连海底真空管道不必追求超高速度，不必考虑磁悬浮车辆模式，350 km/h高铁轮轨模式即能满足车辆运行速度需求。在同等运输能力前提下，只要建设和运营成本能低于传统海底隧道方案，则有必要将海底真空管道作为较优方案在论证比选中予以重视。

我国轮轨高铁技术相当成熟，运行效果良好，烟台—大连海底真空管道可优先考虑轮轨高铁车辆模式。面临的问题是： 列车在开放大气环境中运行时，受到的气动阻力跟在封闭环境(隧道、管道)中有很大不同。车辆在封闭环境中的阻塞比(车辆断面积与隧道断面积之比)越大，则气动阻力越大。为降低气动阻力，现有高铁隧道都采用较小的阻塞比(通常小于0.3)。

真空管道的优越性是可以通过排除管道内空气来降低其中运行车辆的气动阻力，在车辆断面不变的情况下，使得减小管道断面成为可能。基于此特征，给出烟台—大连海底真空管道车辆结构与断面如下：

1)轨道。采用现有1 435 mm标准轨距高铁轨道。

2)车辆。采用现有标准轨距转向架，重新设计制造缩小断面的车辆底盘和气密性客舱。

3)管道断面。内径3.2～3.4 m。

车辆、轨道、管道断面及尺寸如图4所示。

图4 海底真空管道及车辆断面图(单位： mm)

Fig. 4 Cross-section of submarine vacuum tube and vehicle (unit： mm)

4 渤海海峡海底地形与海况

渤海海峡海底地形及等深线如图5所示(根据Google Earth Pro提供的海底深度数据绘制)。图中示出烟台—大连通道范围内真空管道线路可能的4条线路走向，即A线、B线、C线和D线。海峡最窄处位于山东蓬莱刘家沟镇到辽宁旅顺老铁山之间，即B线所在位置，直线距离约106 km。B线以西是庙岛群岛以及长岛、黑山岛、砣矶岛、大钦岛、小钦岛、南隍城岛、北隍城岛、大竹山岛、小竹山岛等岛屿，其中长岛、砣矶岛、大钦岛、小钦岛、南隍城岛、北隍城岛自南向北呈链状分布。烟台—大连通道范围内90%海域水深小于60 m，南边烟台侧海底地势较平缓，自然纵坡小于1‰；北边大连侧较陡峭，自然纵坡约3.5‰。最大水深88 m，位于A线方向北隍城岛以北约3.6 km处。

图5 烟台—大连通道范围等深线及备选线路方案

Fig. 5 Bathymetric contour and alternative route scheme of vacuum tube between Yantai and Dalian

渤海海峡跨海通道位于胶辽隆起上，该区基底隆升，尤其沿长山列岛岛屿链，新近系底界凸起，基岩埋深小于100 m，有利于海底隧道施工[16]。

5 烟台—大连海底真空管道高铁线路方案比较

在烟台—大连跨海通道范围内，共给出A、B、C、D4条真空管道线路走向作为比选方案(见图5)。

5.1 A线方案

A线从蓬莱市区北离岸，往北经长岛到砣矶岛，在砣矶岛向东北方向偏转，经由大钦岛、北隍城岛，跨越80 m深水区，从旅顺口老铁山上岸，总长约110 km。其中线路在大钦岛、北隍城岛之间经由小钦岛东浅滩和南隍城岛西浅滩。A线线路方向纵断面地形图和真空管道纵断面设计线形如图6所示。

蓬莱侧入海处，真空管道可以有2种入海方案。一是岸上管道高架，离岸后管道掠过海面按一定纵坡入海，直至到达海床附近。由于真空管道坡度较缓，这种入海方式会导致入海段很长，即使线路设计成20‰纵坡，管道穿越20 m深表层海水也需经历1 km距离。这会对海面形成分割，影响近岸区其他水面作业与活动。而且，这一深度区域是潮汐风浪区，会影响真空管道稳定性，增加工程成本，危及运行安全。优点是工程可视性好，施工方便，可抵消其他因素可能造成的工程成本增加量。二是采用海底入海方式，即管道入海前已经以隧道方式进入到海平面以下一定深度，然后在海底设计深度处入海，如图6所示。同理，旅顺侧也采用水下入海方式。

图6 A线方案全线纵断面概略图

由图6可知，管道线路在0～43 km段以0.5‰纵坡延伸，以隧道方式穿越长岛、砣矶岛、大钦岛、小钦岛、南隍城岛、北隍城岛。北隍城岛以北海沟和老铁山以南海沟之间74～92 km段是一处隆起海脊，也需要以海底隧道真空管道方式通过。在20～34 km段以高架、沉管(或浅埋)方式铺设，45～50 km、70～74 km、96～105 km段以高架方式铺设，跨越北隍城岛北大于70 m深度海沟时需要架设20 m以上高墩。

A线方案的优点是线路经由天然岛链，为隧道工程设置竖井提供了便利，只需在海峡北部旅顺口侧70～105 km段考虑设置人工岛塔[17]，大大减少人工岛塔数量，有利于降低工程造价和施工难度。缺点是海底隧道工程成本高于海底真空管道(包括海底高架、沉管或浅埋)，且施工及运营风险均高于高架、沉管或浅埋形式的海底真空管道。

5.2 B线方案

B线方案南端离岸点位于蓬莱刘家沟镇，北端上岸点位于旅顺口老铁山，穿越大竹山岛，直线距离约106 km。在此线路走向范围内，海底地形平缓，在5～60 km段水深20～30 m； 70～100 km段水深50～60 m，最深处67 m，如图7所示。

图7所示B线路方案中，蓬莱侧和旅顺侧管道入海都采用由隧道海底入海方式。6～22 km段以沉管或浅埋方式为主，然后以隧道方式穿越大竹山岛，35～63 km段以海底高架为主，63～85 km段以沉管或浅埋方式为主，85～103 km段以高架为主，部分地段用沉管或浅埋。关于纵坡，0～60 km段为水平线路，60～70 km段设计纵坡为4‰，70～100 km段设计为水平线路，100～106 km段设计纵坡为6.7‰。

B线方案的优点是： 海底地形平缓，大部分线路可设计成纵坡为0的水平线路，除穿越大竹山岛需要采用隧道方案外，大部分区段均可设置成海底高架、沉管或浅埋； 水深较浅，60%线段水深20～30 m，便于海底施工。

图7 B线方案全线纵断面概略图

5.3 C线方案

C线方案南端离岸点位于烟台芝罘区，北端上岸点位于大连佛门寺，直线距离约134 km。在此线路走向范围内，海底地形坡度平缓，115 km处海沟以南海底自然纵坡约0.5‰。有一较深海沟位于距离大连佛门寺18 km处，最大深度为66 m。C线线路上海底地形及海底真空管道设计纵断面如图8所示。

图8所示C线路方案中，烟台侧海滩平缓，所以管道入海采用浅埋入海方式，旅顺侧管道入海采用由隧道海底入海方式。0～30 km段以浅埋方式为主，30～90 km段以海底高架为主，90～100 km段以沉管或浅埋方式为主，100～130 km段以高架为主，部分地段用沉管或浅埋。关于管道线路纵断面，0～20 km段设计纵坡为1‰，20～40 km段为水平线路，40～100 km段设计纵坡为0.5‰，100～120 km段设计为水平线路，120～134 km段设计纵坡为3.6‰。

C线方案的优点是： 线路走向范围海底地形平缓，大部分路段设计纵坡为0～1‰，不穿越任何岛屿，全线任何线段不需要采用海底隧道方案，全线路均可设置成海底高架、沉管或浅埋； 水深较浅，80%线段水深小于50 m，海底施工难度较低。

5.4 D线方案

D线方案南端离岸点位于烟台养马岛，北端上岸点位于大连金州区大孤山，穿越大山岛浅滩区，直线距离约173 km。在此线路走向范围内，海底地形坡度平缓，最大深度为51 m。D线方案线路里程、坡度、地形高程、线路高程等如图9所示。

图8 C线方案全线纵断面概略图

图9 D线方案全线纵断面概略图

图9所示D线路方案中，烟台侧海滩平缓，管道入海采用岸上高架然后穿越海面入海方式，旅顺侧大山岛至大孤山岸上段采用海面以上高架管道，大山岛往南管道采用穿越海面入海方式。烟台侧管道入海抵达海底后，11～43 km段以沉管或浅埋方式为主，43～155 km段以海底高架为主，至大山岛附近出海后即采用海面高架管道方式。管道线路纵断面在0～20 km段设计纵坡为1.5‰，20～50 km段为水平线路，50～80 km段设计纵坡为0.7‰，80～140 km段设计为水平线路，140～160 km段设计纵坡为2.5‰，160 km以北海上高架段至大孤山岸上段为水平管道。

D线方案的优点是： 线路走向范围海底地形平缓，不穿越任何岛屿，全线任何线段不需要采用海底隧道方案，均可设置成海底高架、沉管或浅埋； 水深较浅，最大深度51 m，海底施工难度较低。但也存在明显的缺点，即跨海真空管道里程173 km，明显较长。

在D线方案中，烟台侧和大连侧的入海方式除采用穿海面入海方式外，根据地形特征，另一种可选择的管道入海方式是烟台侧采用浅埋入海，大连侧的近大孤山岸上段和大山岛段采用开槽深埋管道方式，入海方式则为埋置管道入海，具体如图10所示。

图10 两端浅埋时D线方案纵断面图

6 结论与建议

1)真空管道为气密性结构，断面小、自重轻、集成度好，适合在海底架设，作为跨海通道的新选择。其建设成本低于海底隧道、沉管隧道、悬浮隧道和跨海大桥，现有的海底油气管道铺设和海洋工程技术可为海底真空管道建设提供借鉴。

2)虽然真空管道交通还没有实际应用和成功案例，但海底真空管道处在海水恒温环境中，使管道内散热问题迎刃而解；海水能为管道提供浮力，使管道跨度可以很大。随着海洋工程技术的发展，利用海水浮力和宽广的水域，某些大型工程的海上施工有可能变得比陆上更容易、成本更低。因此，适时改变传统的海底隧道技术路线思想，锐意进取，大胆创新，尝试采用海底真空管道方案，具有重要意义。

3)海底真空管道包括海底高架、海底沉管和海底浅埋3种基本技术模式，必要时可辅助采用海底隧道真空管道模式。

4)烟台—大连渤海跨海通道建设有必要考虑海底真空管道高铁方案。其目标是经由最短路径以较低的成本造价连通山东半岛和辽东半岛，而非追求超高速，现有高铁350 km/h速度即能满足需要。因此，烟台—大连海底真空管道建议断面直径(内径)选取3.2～3.4 m，管道内铺设中国高铁采用的1 435 mm标准轨距轨道，车辆转向架选用高铁列车标准转向架，设计制造小断面尺寸气密性车辆，使其匹配管道断面内部限界。管道内抽成1 000～5 000 Pa真空，车辆按200～350 km/h速度行驶。

5)烟台—大连跨海通道范围有A、B、C、D4条真空管道线路可供比选。其中，A线特点是穿越岛链，50%以上线路需要按海底隧道真空管道方式建设，尤其是穿越岛屿时； 在4条备选线路方案中，B线为最短路线；C线不穿越任何岛屿，海底地形平缓，自然纵坡小；D线在4条线中处于最东边，线路全长约173 km，明显太长。建议将B线、C线作为重点予以论证和考虑。

本文首次提出渤海海峡跨海通道海底真空管道高铁线路方案，分析海底真空管道结构特征及优越性，论述采用真空管道轮轨高铁技术方案的必要性、经济价值和现实意义，给出线路方案平面及纵断面模型，为渤海海峡跨海通道建设及方案比选提供理论基础。当前尚无海底真空管道的实验研究，建议早日启动烟台—大连海底真空管道实验研究与试验线建设工作。