跨海工程的桥隧之争

肖汝诚同济大学桥梁工程系跨海工程的桥隧之争1.引言2.工程风险比较3.功能性比较4.经济性比较5.案例分析6.提高竞争力的途径7.小结提要1.引言•经济发展促进了交通需求增长，加快了跨海工程的发展。•近年已召开多届桥隧论坛和峰会，讨论跨海工程的方案问题。•但多以桥归桥，隧归隧为主基调，容易突出己方优势•本报告通过对桥隧优劣的粗浅分析与比较，引出跨海工程桥隧之争的问题，意在抛砖引玉。1.引言2.工程风险比较3.功能性比较4.经济性比较5.案例分析6.提高竞争力的途径7.小结提要2.工程风险比较环境风险结构安全风险运营风险战争风险桥梁•桥墩占用水面和水下空间，对水环境和水动力有一定影响。•桥墩施工对生态环境（如珊瑚礁保护区）是有影响的。•运营阶段对环境影响小，车辆废气扩散快。隧道•钻爆法或盾构法施工的隧道对生态环境和水动力影响小•沉管隧道在建设阶段对生态环境将产生影响。•隧道开挖产生的弃渣对环境有影响•运营期间汽车尾气较集中，需要完善的通风措施。2.1环境风险2.工程风险比较桥梁和隧道都有环境风险2.工程风险比较环境风险结构安全风险运营风险战争风险桥梁•结构安全风险存在于设计、施工和运营中•桥梁上部结构施工过程中风险源相对较少，风险也较小。•在水深50m内的大型桥梁的风险一般可以化解；•桥墩与地基基础为点式接触，可有效地排除地质风险隐患；•已建成了最深为65m水深的希腊Rion-Antirion桥基础，更深的基础建设风险有待评估。•运营阶段在偶然荷载作用下具有一定的抗风险能力。如美国金门大桥等在其近百年的运营中，经历了强震大风的考验•极端作用下存在侧倾、风致失稳、船撞垮塌等风险：2.2结构安全风险2.工程风险比较隧道•具有良好的抗极端作用风险的能力•没有抗风的风险•不可预见的地质风险源较多•存在一定的施工风险（如上海吴淞黄浦江隧道事故）•隧道通风塔与大桥的墩塔相比，建设困难，风险较大。2.2结构安全风险2.工程风险比较桥梁和隧道都有相应的结构安全风险2.工程风险比较环境风险结构安全风险运营风险战争风险桥梁•运营期间桥梁抗火灾和意外交通事故能力较强，•对火灾和意外交通事故可以实施陆上或海上施救，救援方案便捷，•有耐久性风险2.3运营风险2.工程风险比较隧道•对火灾和意外交通事故抗灾能力较差，•一旦发生灾害,洞内人员、设施、设备损失很大•英吉利海峡隧道曾分别在1996年、2006年、2012年发生火灾，其中1996年火灾造成交通中断１个月；•法国勃朗峰隧道于1993年3月24日发生火灾，造成41人死亡，交通中断一年半。2.3运营风险2.工程风险比较桥梁的运营风险比隧道小2.工程风险比较环境风险结构安全风险运营风险战争风险桥梁•作为交通要道，桥梁目标明显，易遭受军事打击•若主桥倒塌，除桥上交通外还影响主航道的顺畅通航•影响军事防御系统的快速启动和作用的发挥隧道•当今军事科技对隧道攻击定位已非难事，隧道原有的隐蔽性优势已不存在•通风塔、供电系统等薄弱环节若被毁，将造成灾难性后果。•一旦隧道遭受战争破坏，其修复将成工程难题。2.4战争风险2.工程风险比较两者都存在战争风险，谁又能避免呢？2.5小结比较项目桥梁隧道环境风险有运营阶段环境影响大结构安全风险有极端作用风险地质风险源多通风塔风险大运营风险小救援困难，抗灾能力较差战争风险有有2.工程风险比较1.引言2.工程风险比较3.功能性比较4.经济性比较5.案例分析6.提高竞争力的途径7.小结提要3.功能性比较行车舒适度交通景观施工周期空间资源3.功能性比较行车舒适度交通景观施工周期空间资源3.功能性比较隧道•视线受限•噪声大，空气污染严重•通风采光性较差•司乘人员有压抑感•容易发生追尾和撞壁等交通事故。3.1行车舒适度桥梁•视野开阔•空气环境好•通风采光性好•行车条件舒适•事故发生率低行车舒适度：桥梁优于隧道3.功能性比较3.1行车舒适度隧道方案的解决方法1）电气化背驮式轨道交通•解决隧道内部通风等问题的有效方式•在英吉利海峡通道中得到成功应用•但其缺点是交通量受限，不够人性化2）多车道的沉管隧道•费曼恩海峡通道•存在长距离沉管隧道的通风问题3.功能性比较行车舒适度交通景观施工周期空间资源3.功能性比较•已有研究表明，在正常天气和同样通行条件下，大桥的交通量大于隧道。•上海外环线经常在黄浦江隧道段出现拥堵便是其例。3.2交通3.功能性比较桥梁•气象、环境对跨海大桥上的交通有很大影响。•雷雨、大风或浓雾天气下行车会限速，甚至封闭交通。隧道•不受气候变化的影响，全天候运营，运行能力稳定。•但当两侧接线因气候条件封闭交通，隧道的交通功能也将受到影响。恶劣天气对交通的影响。桥梁、隧道各有优劣3.2交通3.功能性比较行车舒适度交通景观施工周期空间资源3.功能性比较桥梁•桥梁作为新的构筑物，与桥位处的自然景观及人工构筑物构成整体景观。•可将人们的审美追求和创造渗透到桥梁建筑中，给人以美感。•驾车行驶在桥上，大自然的山水海天给人以赏心悦目的感觉。3.3景观3.功能性比较隧道•基本保持原有两岸的风貌，一般不能产生标志性景观。•长时间在隧道内行驶，驾驶员会产生枯燥和疲劳感。•解决方案是在洞内模拟人工景观或用VR模拟海景以消除之。3.3景观景观功能：桥梁优于隧道3.功能性比较行车舒适度交通景观施工周期空间资源桥梁施工一般都在5年左右，而隧道施工则视长度和地质、水深而定。•长度10km以内，隧道会快于桥梁•长度超过10km，桥梁工程可以多个工作面平行施工、流水作业,机械设备周转和材料可以得到更有效利用，施工周期短于隧道工程，如费曼恩海峡通道桥梁方案比隧道方案少6个月。•实际工程中，许多隧道还因施工中地质条件变化等不可预知的因素影响工期。3.4施工周期施工周期：桥梁隧道各有长短3.功能性比较3.功能性比较行车舒适度交通景观施工周期空间资源桥梁•占用一定的岸线资源，对岸线开发利用产生一定影响•但对于跨海工程，这种影响一般很小。隧道•隧道对岸线资源影响比较小。3.5空间资源岸线资源：隧道优于桥梁3.功能性比较1）岸线资源桥梁•大型桥梁工程有时会影响到航空安全，需要根据航空限高对桥梁进行合理设计，设置警示装置。•不可能建设大跨度高塔桥梁。隧道•隧道不会影响航空安全。航空安全：隧道优于桥梁3.5空间资源2）航空安全3.功能性比较桥梁•对于航运繁忙、通航货轮等级较高的航道，会影响航运•需合理确定通航净空。隧道•由于建在水下，对航运无任何影响。航运：隧道优于桥梁3.5空间资源3）航运3.功能性比较3.功能性比较比较项目桥梁隧道行车舒适优行车环境较差，事故易发交通正常条件，优抗恶劣天气，优景观优驾驶枯燥易疲劳施工周期一般都在5年左右由长度和地质而定空间资源占用岸线，影响航空、航运优1.引言2.工程风险比较3.功能性比较4.经济性比较5.案例分析6.提高竞争力的途径7.小结提要4.经济性比较美国纽约布鲁克林大桥、旧金山金门大桥和美国纽约的荷兰隧道、林肯隧道等都有近百年历史。只要设计合理，养护得当，桥梁与隧道的使用寿命满足120年甚至更长年限的建设要求是完全可以实现的。所以，比较桥梁与隧道全寿命期经济性可从其建设成本与运营管养成本两方面来进行。影响成本的因素繁杂，我们要结合实际工程来分析。桥梁建设成本隧道建设成本运营成本费曼恩海峡通道经济性比较4.经济性比较桥梁的经济性能与桥位处水深、地质条件、桥梁跨径、桥型和施工难度密切相关，变化幅度很大。水深在30m以内，各种桥型的造价可由下图表示。4.1桥梁建设成本4.经济性比较浅水区桥梁建设成本，以港珠澳大桥和杭州湾跨海大桥为例。水深5~10m跨径为110m的连续钢箱梁，造价为13600元/𝑚2水深3~5m跨径为85m的连续组合梁桥，造价为12500元/𝑚2滩涂地带跨径为50m预制PC箱梁，造价在5000元/𝑚2以内4.1桥梁建设成本4.经济性比较深水区桥梁建设成本，以琼州海峡工程西线（深45m左右）为例。4.经济性比较4.1桥梁建设成本琼州海峡工程线位图琼州海峡西线海床纵剖面桥型方案主桥结构体系主桥跨径布置（m）桥梁总长（km）每公里投资（亿元/公里）规划研究报告2006.12方案一三跨两铰悬索桥32.3215.501方案二四跨三铰悬索桥32.3215.099方案三钢桁架斜拉桥32.3214.635虎门公司研究报告2002.11悬索桥方案墩塔梁固结混合梁斜拉桥31.60211.169斜拉桥方案墩塔梁固结混合梁斜拉桥31.60210.334琼州海峡工程西线桥梁建设成本（6车道）桥型方案主桥结构体系主桥跨径布置（m）桥梁总长（km）每公里投资（亿元/公里）中铁大桥院2010.04通航标准法五跨连续钢桁梁斜拉桥41.227.134IABSE法五跨连续钢桁梁斜拉桥41.231.525琼州海峡工程西线桥梁建设成本（8车道+4线铁路）主跨800m斜拉桥立面图（单位：m）琼州海峡西线IABSE法全桥总体布置方案略图桥梁建设成本隧道建设成本运营成本费曼恩海峡通道经济性比较4.经济性比较隧道的建设成本与地质、水深、隧长、洞宽及工法有直接关系，变化幅度也i很大。1）长度10km以内盾构隧道技术成熟，施工速度快，经济性好。上海长江隧桥工程长7.5km，双管6车道，单侧掘进施工，两年贯通。造价70亿，每公里10亿。2）长度20km以内的小断面隧道可双边同时掘进，中间合拢，在通航要求较高的深水海域，其造价也可能优于桥梁方案。3）长距离、大宽度隧道海峡宽度超过20km，需求6车道并设紧急停车带时，要考虑能适应较大宽度的沉管隧道。其造价将会高于桥梁方案。如港珠澳大桥，主体桥梁工程每公里仅5.4亿，而岛隧工程每公里高达15.6亿。4.2隧道建设成本4.经济性比较桥梁建设成本隧道建设成本运营成本费曼恩海峡通道经济性比较4.经济性比较运营费用是全寿命成本的主要组成部分。4.3运营成本4.经济性比较桥梁•桥梁不需要通风设备,防灾设备简单，•仅需防腐耐久性的维护和一定量的检查维修，•工作量较小、性质明确，运营维护费低，用电量明显低于隧道。隧道•隧道工程在运营期间需要一大笔资金用于通风、照明、通信、监控、报警、消防等多种设备,•需配用更多管理人员,维护和管理费用高。4.3运营成本4.经济性比较工程全长（m）双向车道数设计车速（km/h）设计年限年运营费用(万元)年运营费用/公里(万元)海底隧道780868010026029.953333.7跨海大桥2888088010066929.192317.5表1青岛胶州湾海底隧道与跨海大桥运营费用比较根据政府网站公布的青岛胶州湾桥梁和隧道工程数据，双向6车道的隧道每年维护和管理费用为3334万元/公里，而双向8车道的桥梁每年维护和管理费用为2317万元/公里。运营成本：桥梁的优于隧道。桥梁建设成本隧道建设成本运营成本费曼恩海峡通道4.经济性比较4.4费曼恩海峡通道经济性比较4.经济性比较图3通道位置处河床断面和地质情况1）概况•德国和丹麦之间费曼恩海峡通道的方案比较是一个值得参考的工程实例。•通道位置处河床断面和地质情况图表明，水深40m左右。•分别对桥梁和隧道进行了同深度设计。4.经济性比较图4费曼恩海峡通道沉管隧道方案图2）隧道方案隧道长18.5km，拟采用沉管隧道，双车道加宽至11m，并在墙上用屏幕模拟海景以消除驾驶员疲劳。4.4费曼恩海峡通道经济性比较4.经济性比较图5费曼恩海峡通道桥梁方案图3）桥梁方案桥梁方案主桥拟采用2×724m的三塔钢桁梁斜拉桥，引桥为200m跨径的钢混组合连续桁梁桥，双层通车，上层为4个汽车道，下层为双线铁路。4.4费曼恩海峡通道经济性比较4.经济性比较•设计公司对桥梁和隧道的建设成本进行了核算，两者建设投资相当。工期相差半年，该工程最终取舍是由环境影响决定的。4.4费曼恩海峡通道经济性比较4）比较结果说明在水深40m左右，跨越长度20km左右的桥梁和隧道方案，经济性能形成竞争。4.经济性比较工程条件桥梁隧道车道数6以内，长度10km以内，水深大于20m竞争优车道数6以上，超过20km,水深小于40m对10万吨级以上船