高铁跨越台湾海峡,先填两座人工岛?

来源:观察者网

2016-03-14 08:21

正经君

正经君作者

我们正经~着~呢~!

最近披露的“十三五”规划草案,赫然出现了要“建设北京至台北高铁”的提法,让全国人民猝不及防。而北京至台北的高速公路,也就是纳入国家规划多年的G3,也“趁机”再次被提上日程。福建平潭综合试验区党工委书记张兆民在两会期间放出风声,说京台高速技术上已经没有问题。

高铁跨越台湾海峡,中国真的做好准备了吗?人类改变地球面貌的能力究竟达到了什么水平?

史无前例的大工程

说起跨海工程,最有名的大概就是英吉利海峡隧道了。这条1994年完工的隧道单线全长51公里,其中海底部分长38公里,是海底段世界最长的隧道工程。

之所以强调海底段,是因为按全长计算,日本的青函隧道将以54公里成为世界第一。连接日本本州岛和北海道的青函隧道,海底部分长23.3公里,且只有两条隧洞,工程量远小于3条隧洞的英吉利海峡隧道。但青函隧道开工于1964年,比1987年开工的英吉利海峡隧道早了20多年,因此技术上相对落后,24年的耗时足足是后者的3倍。

青函海底隧道示意图

中国国内最长的海底隧道,是青岛的胶州湾隧道,全长7.8公里,海底部分不到4公里,与上述两条隧道差了不少。据说,本月厦门还将开始修建第二条跨海隧道,海底隧道长度超过6公里。

壮观的杭州湾大桥

水雾缭绕的胶州湾大桥

不过中国拥有目前世界上最长的两座跨海大桥——杭州湾大桥和胶州湾大桥。只算海上部分,两者的长度分别为32公里和27公里。

此外,中国还有一个在建的港珠澳大桥,这实际上是一个桥隧组合的方案,海中桥隧长35.578公里,其中海底隧道长6.7公里。

横跨胶州湾的海湾大桥和胶州湾出口处的海底隧道,将青岛与西部的黄岛新区连接起来。之所以出口处采用成本更高的隧道,是为了不妨碍内侧的青岛港通航。

与这些工程相比,跨越台湾海峡的工程难度有多大呢?

目前工程界对台湾海峡跨海工程的线路主要有三种设计,最短的北线方案由福建平潭岛至台湾新竹市,基本也是海峡最狭窄的地方。即使是这里,两岸相距也有130公里,是英吉利海峡的3倍还多。

而最远的南线方案始于厦门,经金门、澎湖到达台湾南部的嘉义,长约174公里,是最远的选择。

台湾海峡跨海工程的三条线路设想。大陆学者普遍倾向于距离最短、地质最稳定的北线方案。

在这样的距离上,无论是隧道还是桥梁,世界上都还没有先例。

桥梁还是隧道?

那么,如果真要建造这样一条通道,应当选择桥梁还是隧道?技术上是否可行,自然条件又是否允许?

首先从水深来看,台湾海峡大部分水深不及百米,近3/4水域水深不及60米,而且南部有大量水深20米左右的浅滩,但澎湖海沟深度可达数百米。相比之下,日本青函隧道最深处距离海平面达到240米,完全可以满足台湾海峡的要求。

而中国目前建成的跨海大桥,只有广东湛江海湾大桥的最大水深超过了20米。

台湾海峡的水深情况

说起台湾海峡,普通人最大的担心恐怕还是地震。岛屿地区历来地震多发,有数据显示,1914年至2014年的一百年间,中国全部3888起5级及以上地震,有35.9%发生在台湾。1999年台湾“9·21”7.6级地震尤其令人印象深刻,造成近2400人遇难。

过去一百年,台湾地震远多于其它省份

不过具体到台湾海峡,其实地震的威胁远没有那么大。我国海洋地质学领域的权威彭阜南教授等人曾经专门为台湾海峡隧道做过分析。他们在2001年的一篇论文中指出,地震的发生都是有规律的,即使是在多震区也能找到安全地带。

具体来说,整个20世纪台湾共发生过18次7级以上地震,没有一次是发生在海峡之中的。福建一侧的泉州外海曾经发生过著名的8级地震(其实已经被修正为7.5级),但那已经是1604年的事了。在平潭至新竹一线,历史上从未发生过超过7级的大地震。

台湾地震主要集中在东北部,海峡之中其实相对较少(点击图片可查看大图)

地下隧道的抗震性能本来就比地上建筑要好,日本的青函隧道可以抵抗8级烈度的地震。而且,平潭至新竹一线的地质结构多为坚固的花岗岩,提供了更好的抗震效果。尽管地震的威胁绝对不可忽视,但并非不可克服。

隧道相对于桥梁的优势,还在于通航能力和抗风、耐久性。

台湾海峡作为一条重要的战略水道,对船只通行能力的要求极高。对于桥梁来说,大跨度的桥梁只能选用斜拉桥和悬索桥,比如杭州湾大桥,主体采用梁式桥,但主跨采用斜拉桥,桥下宽度448米,可以通行3.5万吨级别的海轮。日本明石海峡大桥是世界跨度最大的悬索桥,主跨1991米。中国工程院院士林元培2007年曾经表示,台湾海峡大桥海上跨径要尽可能的大,上部结构选3300米悬索桥,但这样的跨度世界上还没有先例。(意大利曾计划修建连接西西里岛的墨西拿海峡大桥,跨度超过3000米,已经拿出了设计方案,但因耗资太大被叫停。)

日本明石海峡大桥

东南大学徐文平副教授曾在实验室中,为琼州海峡跨海大桥设计5000米跨度的复杂悬索桥结构

悬索桥的抗风性能是一个隐患

此外,桥梁暴露在海面上,建筑材料受到的腐蚀更加严重,维护更换都非常困难而且成本较高。

建在海面上的大桥,还会受到恶劣天气的严重影响,为此,林元培院士还提出了把道路由桥面移至箱梁内的畅想,但这同样没有先例。

综合来说,隧道是比桥梁更好的选择。

先填两座人工岛?

不过桥梁相对于隧道的优势在于成本较低。当然,这里的成本低仅仅是指引桥部分,一旦主跨达到3000米级别时,成本可能还要超过隧道。比如,墨西拿海峡大桥总长不到4000米,预计耗资竟达到120亿美元。

为了降低总成本,有人提出台湾海峡可采用桥隧结合的方法,在海峡中间修建两座人工岛,两侧使用桥梁连接,中间使用隧道。

在数十米深的海峡中填出两座人工岛,可能吗?中国还真的在这么做了。建设中的港珠澳大桥,就是采用的类似方案。

港珠澳大桥的人工岛

港珠澳大桥共有东西两个人工岛,面积都是10万平方米左右,填岛处水深18米。施工人员采用了首创的钢圆筒围堰干法施工工艺,先用60个50米高的钢筒插入海底围成一圈,再向中间注入填充材料,仅用时7个月就完成两个岛的建设。

围海用的巨大钢桶

这样的人工岛不仅可用于桥隧结合方案,也可用于全隧道方案。中国科学院院士、隧道工程专家孙钧教授曾提出,由于台湾海峡隧道长度过长,采用两端施工的方法不仅耗时长,而且会面临施工机械组装、更换困难等技术问题,因此可以分多段施工,实现“长洞短打”。

陕西水利厅张克强等人的论文提出,使用人工岛连接多段隧道,也是一个可行的办法。

不过即使这样,台湾海峡隧道也是一个巨大的工程。按照英吉利海峡的三孔设计(中间为安全通道,兼具通风等功能),北线150公里(包括陆地延伸)的隧道实际上要打450公里。

孙钧院士在2014年的论文中认为,即使乐观计算,将左右主隧道分割成5段同时施工,也要耗时30年才能完成。

孙钧院士提出的5段施工方法。按2020年开工计算,也要到2050年才能完工。

短期内开工不现实

假设上面的技术条件都已具备,我们真的能在“十三五”就看到台湾海峡隧道开工吗?客观地说,几乎毫无可能。

尽管从80年代末开始,国内专家就开始提出隧道设想,2000年以来,相关论文也是每年都有,但这些研究都还处于粗略的畅想阶段。很多专家在论文中也提到,我们对于台湾海峡地质条件的掌握还非常有限。

英吉利海峡的地质钻探工作从1958年做到1987年,动用了大型石油钻探机械,重要的钻孔达94个。可以说,台湾海峡所需要的勘探工作只会更多,而鉴于周边的政治局势,耗时实在难以预估。

那么,“十三五”规划只是一纸空文吗?当然不是,且不说目前规划原文还未公布,即使真的有“北京至台北高铁开工”这样的字句,但文件中的表述跟我们的日常语言毕竟不同。

事实上京台高铁是由多段路线组合成的一个概念,如下图所示,下一个五年正在和可能要建设的北京至霸州、商丘至阜阳至合肥两段高铁都是未来京台高铁的组成部分。这些线路的建设都可以被称为“京台高铁建设”。

北京至台北、香港的高铁线路(据知乎用户hat600)

而就在福建平潭,一座连接平潭主岛和大陆的跨海大桥正在建设之中。这是中国第一个真正意义上的跨海公铁两用桥,当然也可视为未来京台高铁或者高速的一部分。(这座长度3000多米的桥建设难度同样不小,且由于天气原因,一年中只有120天左右适合施工,可以想象未来海上建桥的难度只会更大。)

所以说,像台湾海峡隧道这样可能耗时半个世纪的世纪工程,我们还需要多一些耐心。

最后,即使海底隧道真的通了,也别指望高铁能达到陆上的高速。由于空气动力学的原因,高铁在这样的长距离隧道中可能只能跑到160公里的速度。(隧道中通风困难,列车高速前进会增大前方空气的压强,从而产生较大阻力。)而至于跨海高速,其实英吉利海峡的汽车是装在火车上运过去的,否则汽车尾气就会让人受不了。

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责任编辑:张广凯
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