根据渤海海峡地理特点和国内外跨海运输发展趋势,渤海海峡可供选择的跨海运输方案主要有四种:
1.轮船运输。这是目前渤海海峡的主要运输方式。主要航线有烟台—大连、蓬莱—旅顺、龙口—大连、威海—大连、青岛—大连等五条。
轮船运输,在沟通海峡客货交流的起步阶段,曾发挥了重要作用。但随着我国经济飞速发展和现代化步伐的加快,这种较原始的运输方式在海峡短途运输中,愈来愈暴露出其不可克服的弱点:一是运输周期长。海峡之间,轮船航行时间约需6—8小时(以烟台至大连为例),装卸物资时间平均约需20小时,一个运输周期最短需40小时。而目前实际情况,加上火车装卸间断时间约2天,加上压港压船耽误时间约10天(大连港高达15至30天),要完成一个运输周期,没有15天的时间是不行的,相当于海峡之间轮船纯航行时间的60倍,大量时间浪费在了装装卸卸和排队等船上。二是装卸损耗大,运输费用高。海峡之间,要完成一个运输周期的衔接,需要卸两次、装两次,按1992年海峡之间运输2000万吨货物,每吨货物平均按1000元,“两装两卸”损耗率按2%计算,损失资金即达4亿元;如果再加上装卸费用约9亿元,耽误时间的利息支出约2亿元,其他影响不计,那么,去年仅在海峡中转运输过程中,就丢掉了15亿元经济效益。50年下去,这些资金足够修一条“蓬旅跨海桥隧”。三是从发展趋势看,轮船运输相对投资大而吞吐量增长慢,远远跟不上海峡两岸运输需求增长的步伐。不可否认,轮船运输在海峡运输的起步阶段有它的明显优点,主要是一次性投资小,投入期分散,易于通过长期积累逐步增加运量。但从一个较长的周期来看,其投入产出比就是一个完全相反的概念。随着港口不断向深海延伸,兴建泊位的投资越来越大。以烟台港为例,按增加2000万吨运量计算,现有运输方式(包括新建泊位,增添船只和装卸搬运机械等)共需投资60多亿元;而火车轮渡则仅需投资16亿元左右。两相比较,传统运输方式比火车轮渡方式,需多投资44亿元,运量增加越多,投资之差越大。
从中长期利益和科技、经济发展的趋势看,渤海海峡的传统运输方式将不可避免地被其他较先进的运输方式所取代。当然,轮船运输仍有它光明的、广阔的发展前景,其主攻方向是,加速实现由内贸为主向外贸为主的战略转移,到国际市场上去大显身手。从近几年的情况看,由于传统运输方式难以适应需求的快速增长,两岸之间正在自发地、迅猛地崛起一种新的运输方式——汽车轮渡。目前已形成两条主航线(蓬莱至旅顺、烟台至大连),1990年载渡汽车14000辆,1991年38000辆,1992年95600辆。这种运输方式省却了装卸费用和装卸、压港时间,节省了港口仓库和装卸机械,加速了船舶周转,增加了运量,降低了成本,比原有的运输方式大大进了一步。但是,从宏观、长期利益角度看,汽车轮渡运输方式仍有运量小、运费高、辐射牵动面窄的弱点。现有轮渡船最大的每次仅能载汽车50辆左右,小的仅能载10辆左右,每辆汽车的轮渡费高达500—800元。由于目前海峡之间没有其他的运输方式可替代,特别是与绕渤海公路运输相比,运输成本可节省4/5,油耗可节省6/7,司机可大大减轻疲劳程度,因而华东沿海地区的司机都愿走这条捷径,港口门前天天排着汽车长龙。尽管汽车轮渡有它存在的积极意义,但我们只能把它看作是一种需求方向的预示或信号,它进一步说明了开辟海峡通道的紧迫性。汽车轮渡与我们所要解决的问题相比还有很大差距,它不但无法与将来沟通南北的沿海铁路、公路交通大动脉相耦合,并且经济上也不是最合理的。因此,我们必须着眼全局和未来,进一步寻找新的最佳跨海运输方式。
2.火车轮渡。火车轮渡是通过港口码头栈桥连接铁路和渡轮来实现的一种铁—水联运形式。现代化铁路轮渡,集中了水运、铁路、集装化及不间断运输等多方面优点,使受江海阻隔的铁路运输衔接起来,发挥出比铁路运输能力还要强大的“水上通道”作用。
其主要优点是:①借助特定地理条件,可大大缩短运输距离,形成水上捷径。②分流陆运压力,缓解部分铁路区段运输紧张局面。③不须中途倒装,具有直达性和不间断性,节省费用,节省时间,加速车船周转,增强港口吞吐能力。④运力巨大,不像陆地运输那样受线路承载能力的限制,只要多加船多开航班,或者发展一次渡运多列火车的大船,就可形成比陆运还要强大的运输能力。⑤投资省,见效快。“借水铺路”可节省大量土地和铁路建设资金;无须两装两卸,可省却大量码头装卸搬运设备;与修建同等长度的铁路相比,建设周期可大大缩短,劳务费用可大大节省。⑥对综合运输体系的牵动力强,能够以此为枢纽,形成新的公路、铁路、水路运输格局。当然,从另一个角度看,火车轮渡仍然没有摆脱水运的特点,它仍然要受轮船航行速度和装卸时间的限制,但相对于轮船单一运输而言,其优势是显而易见的,除了轮船航速没有较大改变之外,其他各个环节均发生显著变化。以港口装卸时间为例,输送一整列火车的渡轮在港口装卸停留时间仅需1小时即可,双向需2小时即可,至少比轮船运输的纯装卸时间缩短20倍,整个运输周期比轮船运输的实际周期(包括压港压船时间)至少可缩短几十倍,仅这一项增加的运量就是十分可观的。同样的港口,同数量的船舶,在同等的时间内,火车轮渡比传统运输方式可发挥出大于几倍、几十倍的吞吐能力。
正是由于火车轮渡具有多方面的优越性和巨大的潜能,因而,世界许多国家都把它视为一种有前途的、大力发展的运输方式,特别在跨海运输中呈现出方兴未艾、迅猛发展的趋势。目前,世界上已有20多个国家开辟了70多条火车轮渡航线。在波罗的海沿岸,1986年到1988年短短3年间,火车轮渡就从13条航线39艘渡轮增加到19条航线100多艘渡轮。近年来,随着科学技术的发展,铁路轮渡已从内海延伸到外海,并且,渡轮的吨位越来越大,运输距离越来越长。美国西雅图至阿拉斯加惠蒂尔的铁路轮渡航线长达2592公里,是目前世界上最长的轮渡航线;芬兰的汉克至西德的卢贝克航线横跨波罗的海长达870公里;从克莱彼达到德国穆克芝的现代化大型铁路轮渡工程全长506公里,航行时间只及陆上运输时间的1/6;原苏联在黑海、远东库页岛等地开辟的轮渡航线也都长达数百公里。并且,火车渡轮已由早期的单层装车,发展为多层装车的万吨巨轮。原苏联至保加利亚的火车渡轮一次可载108辆货车(约相当于2.5列火车)。国外一般的渡轮为三层装车,每层五股道,可载货车75辆(约相当于1.5列火车)。每个铁路轮渡码头日平均作业可达30—40渡,高的可达60—70渡,吞吐能力每年可达5000万吨以上。
目前,火车轮渡在我国跨海运输中尚属空白,但在横跨长江的运输中却早已有之。早在1933年,南京下关和浦口之间就开辟了我国第一条火车轮渡航线;1950年在武昌与汉口之间、1985年在芜湖和裕溪之间也相继建成了轮渡航线;1986年在武汉与上海之间,还开辟了沿江火车轮渡线。1990年,我国最大的一对客货两用火车轮渡“北京号”在安徽芜湖投运,渡轮全长134.6米,宽17.8米,排水量6086吨,可同时渡运60吨位的高棚车箱27节和15节客车。在轮渡码头吞吐量方面,南京至浦口的日作业量曾达到63渡。近年来,我国在跨海火车轮渡方面也开始了探索。1991年,铁道部第二勘测设计院完成了琼州海峡铁路轮渡的可行性研究,准备以轮渡形式将海南岛与雷州半岛的铁路网衔接起来。
环渤海地区,是我国发展铁路轮渡最有潜力的地区。综合比较环渤海沿岸各港口的情况,烟台—大连跨海火车轮渡线,是当前我国最有开发价值、最容易起步且十分急需的一条铁路轮渡线。根据我国国力情况,近期,从解救交通燃眉之急和实践探索的角度看,应首先把这里作为起步试验点,然后再在整个环渤海地区逐步推开,组合成互通渡轮的环渤海铁路轮渡网,进而大大增强环渤海地区铁—水联运的灵活性和疏运能力,使之成为缓解进出关运输和南北运输紧张局面的“总调节器”。
3.海底隧道。海底隧道运输的最大优点是直达、便捷、快速、通过量大,长期效益显著。在整个运输过程中,无须中途装卸,运行速度大大快于火车轮渡,通过量成倍增加,且一次投资、百世享用。如果在渤海海峡之间的最短距离(蓬莱至旅顺)打通海底隧道,汽车通过海峡时间只需1小时,仅及轮渡所需时间的1/10;若按国际通行的隧道电气化通过方式(每小时160公里),通过海峡时间只需40分钟。若按每昼夜双向通过火车100对计算,每年最大货运通过能力可达8000万吨以上,客运通过能力可达3000万人次。
由于海底隧道具有改变海峡间运输性质的巨大作用,因而自1825—1843年横穿英国伦敦泰晤士河的水下隧道开通以来,世界许多国家纷纷兴建和规划了一些宏伟的江海隧道工程。特别是“二战”以后,随着铁路、公路交通运输的发展,短距离跨江海运输越来越被隧道工程和大桥工程所替代。1992年,国际道路会议常务委员会的调查表明,目前,世界上长度超过10公里的铁路隧道已有十几条(见表5-1),长度超过3000米的隧道129座,其中,日本41座,挪威26座,意大利21座,瑞士15座。
表5-1 世界十大铁路隧道
海底隧道经济效益和社会效益巨大,其工程难度和投资也是巨大的。正因如此,许多国家特别是第三世界国家不敢问津。这也是我们在渤海海峡能否实施、什么时候实施海底隧道工程所遇到的问题。为了对海底隧道有一个全面的、正确的认识,我们以日本青函隧道、英法隧道和正在策划的日韩对马海峡隧道为典例作一解剖分析。
(1)日本青函隧道。本世纪80年代中期,日本建成世界最长的海底隧道——青函隧道,总长度53.85公里,最深部分在海底100米以下,离水面距离240米。
日本是千岛之国。波涛汹涌的津轻海峡,把它的两个面积最大的岛屿本州和北海道隔开了。在江户时代(1603—1867),北海道的福山(现称松前市)同对岸三厩往来只有古老的船渡。到了明治时代(1868—1912),青森和函馆之间的交通发展为轮渡。但它与日渐发达的经济仍然不相适应。如何用铁路把这两个大岛连接起来,变天堑为通途,一直是日本几代人梦寐以求的愿望。在第二次世界大战前夕,日本就有开凿青函隧道的设想,后来因疲于战争,力不从心而作罢。战后,本州与北海道之间的客货运输量不断增加,建设一条直通的铁路越来越显得必要了。是架桥,还是开凿隧道?众议纷纭。多数人认为,青森一侧和函馆一侧最近距离的海域,即三厩和渡岛福岛之间的那一段,水深流急,风大浪高,架桥不易;如修建隧道,工程虽较艰巨,好处却甚多。1954年9月,来往于青森、函馆间的轮渡“洞爷丸”遇风暴而沉没,90名乘客遇难,这更使建设隧道的舆论高涨。1961年,兴建青函海底隧道的线路就选定在三厩和渡岛福岛之间。1964年日本“铁路建设公团”成立后不久,隧道工程就动工了。
青函隧道工程是浩大而艰巨的。它在陆地上的部分,北海道一侧为17公里,本州一侧为13.55公里;在海底的一部分为23.3公里。青函隧道共由三条隧道组成。主隧道高9米,宽11米。两条辅助隧道高4米,宽5米,一条是调查海底地质用的“先导坑道”;一条是搬运器材和运出石块用的“作业坑道”。在主隧道投入使用后,“作业坑道”主要用于维修列车和轨道;“先导坑道”主要用于换气和排水,据资料介绍,竣工后隧道和坑道漏水流量每分钟约30吨,需用高压泵排出地面。水,是这项工程的大敌。那里的海底地层复杂,有九大断裂破碎带,在它的上面是千旋百转的暗流,涌水压力每平方厘米为23公斤。由于水压很高,涌水不断,曾发生了四次大的涌水事故,其中最大涌水量曾达每分钟70吨,总涌水量为200万立方米。由于水害,施工曾几度被迫中断,甚至付出了血的代价。但是在大自然的挑战面前,工人和工程技术人员不畏艰险,创造性地用加压注入乳状水泥和药液的方法,把隧道壁周围相当于隧道直径5倍的部分固定起来,终于把涌水制服了。
随着科学技术的发展,青函隧道的掘进作业使用了一种威力巨大的隧道掘进专用机,它的重量约95吨,长12米,宽和高各4米,前面装有3个齿轮,每个齿轮上面有16只巨爪,它们一齐动作,一下可掘直径4米的窟窿,掘进时速可达2米。
按原计划,青函隧道于1976年凿通,1978年全部竣工,但由于多种原因影响,1983年1月27日,日本前首相中曾根才按响了“先导坑道”贯通的电钮(此时主隧道还剩下2.7公里),1985年才实现了全线竣工。青函隧道建设,前后历时21年,工程总费用30多亿美元。
青函隧道建成通车后,大大缩短了本州到北海道的时间,原来从东京到北海道首府札幌乘火车需16小时50分钟,现在只需5小时40分钟;原来乘汽轮摆渡通过津轻海峡需4小时50分钟,现在只需20分钟。这条隧道和“关门隧道”,将日本九州、本州、北海道三大岛连成一片,对活跃日本经济和加强军事防卫发挥着重要战略作用。
(2)英吉利海峡隧道。英吉利海峡隧道位于英国福克斯通和法国加来之间,全长50公里,其中38公里从海床下平均40米深处穿过,距海平面80—100米。单从水下部分的长度来说,是当前世界上最长的一条海底隧道。
英吉利海峡是世界上最繁忙的海峡,每年船舶通过量达17万艘次,货运量6亿多吨。海峡两岸有4对火车轮渡渡口。由于纵横运输繁忙,世界上船舶碰撞事故几乎有一半发生在这里。
开凿英吉利海峡隧道的设想,是1802年由一位法国工程师首先提出的。之后,经历了一个艰难而漫长的酝酿过程,打打停停,几上几下,历尽磨难。1882年,英国民间曾成立过一个海峡隧道公司,一位英国工程师利用自己发明的旋转式掘进机挖了将近2公里长的一段隧道。1956年,成立了一个海峡隧道研究小组。1971年,英法两国甚至达成协议并曾同时动工。但这些努力,都由于认识上的不统一,在英国政府的干预下不了了之。直到1981年这一宏伟工程才算从撒切尔夫人和密特朗总统手里取得了护身符。1985年,有欧洲各国参加的国际会议,正式通过了修建英吉利海峡隧道的决议。一个工程上早已可行的项目酝酿时间竟达180年之久。
与历经磨难的酝酿过程相反,英吉利海峡隧道的建设却是进展神速。自1986年3月14日英法两国政府正式授权算起,准备阶段和施工阶段仅用了7年多一点的时间。由于担心因政府换届而造成工程再次下马,海峡隧道的工期定为7年(少于两届政府的任期),其中,18个月的准备阶段,主要是制造掘进机;2年的后期配套阶段;真正用于隧道掘进的时间仅3年半多一点。
英吉利海峡隧道自两端的白垩岩层中对头掘进。英国端隧道1987年12月开始掘进,北线和南线隧道平均月进度分别为667米和764米,最高月进度达1500米。法国端隧道从1988年12月开始掘进,北线和南线隧道平均月进度分别为664米和685米,最高月进度达1177米。1990年12月,服务隧道打通。1991年5月—6月,北线和南线隧道全部贯通。1993年8月,海峡隧道正式通车。
英吉利海峡隧道的开凿,采用了世界最先进的掘进机械。英国的罗宾斯公司,日本的三菱公司、英国的詹姆斯豪杰公司等,专门设计制造了11台适用于复杂水文地质条件开挖大断面隧道的掘进机。这些掘进机具有防水和能够承受岩土压力的金属护盾盾构系统。当地层中不含水时,可开胸式作业,边挖掘边安装管片;当地层含水量很大时,可闭胸式作业,掘进机靠着已衬砌好的衬砌环移动。隧道施工人员约1.4万人,动用土石方1000多万立方米,使用各种内衬预制件44.5万块。预算总造价62亿英镑。隧道设计使用寿命为120年。
海峡隧道由间隔为30米、直径各为7.6米的南北两条平行铁路隧道构成,中间还有一条4.8米的服务隧道。服务隧道和铁路隧道之间由130个直径为3.3米的横向通道连接,平时供铁路隧道维修使用,万一发生紧急情况时供疏散用。
英吉利海峡隧道的经济效益和社会效益是十分巨大的。它主要可提供4种铁路服务:一是高速客运穿梭列车。主要是来往于隧道两端,发车间隔时间15分钟。列车挂24节节厢,其中12节为双层,可载120辆汽车;另12节为单层,可载12辆大型汽车;还有4节专供汽车上下的车厢,乘客则待在各自汽车里。二是高速货运穿梭列车。亦往返于隧道两端,发车间隔时间为20分钟。列车挂28节车厢,可载28辆毛重44吨以下的大卡车。三是高速过往客车。始发站为伦敦、巴黎和布鲁塞尔等。四是高速过往货车。始发站为英国和欧洲大陆的任何主要车站。列车穿越隧道的时间为33分钟,运行速度每小时160公里。1小时内每个方向上可运载汽车3450辆。按计划,1993年,运送旅客3000万人次,货物1500万吨;2003年,运送旅客4100万人次,货物2300万吨。
(3)日韩对马海峡隧道。这是由日本和韩国正在策划实施的一条世界上最长、技术上更先进的海底隧道。该隧道计划自日本的九洲开始,依托海峡中的壹歧岛和对马岛,穿越约200公里的对马海峡,到达韩国的釜山。
对马海峡浪大流急,最大水深210多米。敢于向这一恶劣环境挑战,足以表现出建设者们的自信心和魄力。据资料介绍,对马海峡隧道计划分三段进行施工,第一段是日本九州—壹歧岛,海底部分22公里;第二段是壹歧岛—对马岛,海底部分49公里;第三段对马岛—韩国釜山,海底部分49公里。在技术上,初步确定采用水底沉管隧道施工法。每个马蹄形隧道管段厚度为1.6米,长度为250米,直径为10米,净重3.85万吨。沉埋时,采用可移动式提升平台,刮平海底,沉放和连接隧道管段。每年可修建长10公里的沉管隧道,包括准备阶段总工期约需15年。隧道建成后,计划采用每小时300公里的线性电动机组列车。
从以上典例我们可以看出,海底隧道是科学技术和金钱的结晶,是一个国家综合国力和自信心的表现。伴随21世纪的到来,日益强大的中国完成这一造福子孙、增强国力、显示国力的宏伟工程不是没有可能,关键在于怎样选择一个最好的方案,花最少的钱,获得最大的效益。
4.海面高架桥或桥隧结合通道。海面高架桥,是利用现代架桥技术衔接海峡间运输的一种跨海交通工程。它除了具备海底隧道的一些主要优点之外,还具有以下明显优点:第一,通过能力更强。目前国外的跨海大桥一般都采用双层体,上层为4—6车道公路桥,下层为双轨火车道,这样就比海底隧道的运输能力又有成倍增加,并且运输方式更加机动灵活。第二,综合利用价值大。可以敷设管道、电缆等,特别是具有很高的观赏价值,能够有力地带动旅游业及其他行业的发展。第三,工程安全系数大。不会像海底隧道那样随时可能发生漏水冒顶等重大事故,造成长时间停工或停止通车。第四,行车通气性好。后期检修保养费用较低,不必象隧道那样不停地排水通气,在运行期间仍耗费大量资金。
由于跨海大桥好处甚多,因而世界许多国家在同样的条件下、甚至只要基本条件许可的情况下,都倾向于兴建大桥。自1922年的半个多世纪以来,伴随海洋开发,跨海大桥在世界各地形成一股强劲的发展趋势,目前已达30多座。世界上最长的桥是巴林—沙特阿拉伯跨海大桥,全长25公里。于1981年9月由荷兰一家公司负责施工建造。整座大桥穿越5个暗岛和1个明岛,中间还建有2个人工岛,实际上是由5座桥梁和6个吹填工程组成的。大桥共有8车道,路中间设有1.5米宽的隔离岛,两边还有约2.74米宽的紧急行车道。桥上可通行32吨以上的载重汽车,桥下可通过150米宽的大轮船。整个工程总费用近10亿美元,共耗用了4.7万吨钢,16万吨水泥,35万立方米混凝土,777万立方米沙子和314万立方米石子,在吹填工程中还用了950万吨岩石。建设工期历时5年零2个月,于1986年11月26日正式通车。据估算,大桥平均每天通过车辆达10000辆以上,巴林因此而成为海湾地区的旅游中心。除此之外,在美国切萨皮克海湾还有一条世界上最长的大桥隧道,全长28.4公里,像一个巨大的字母“S”,横跨在宽阔的湾面上。大桥隧道建在深水海床上,海湾中的4个人造岛屿是大桥的有力支柱,岛上开有隧道的出入口。该工程历时3年半,于1964年4月启用,建造费用共计2亿美元。
现代科学技术的发展,使人类征服大自然的能力不断增强,每隔一二十年,世界建桥技术就产生一次飞跃。本世纪20年代,世界上最大跨径的桥仅五六百米;30年代初,美国华盛顿纪念悬桥一举突破千米大关,跨径达到1067米,4根主缆缆径均为0.91米,每端拉力足以拔起1000个火车头;进入70—80年代之后,计算机的应用和建桥材料、安装技术的改进,使跨海大桥更加雄伟。目前悬臂式大桥设计最大跨径能够达到3658米,意大利跨墨西拿海峡的悬臂式大桥最大跨径3300米;日本明石海峡公、铁两用悬臂桥,最大跨径1990米,每根钢缆直径达1.014米;英国恒比尔大桥(双层两用)主跨径1410米,每根缆径达1.625米。于1993年开始动工兴建的直布罗陀海峡大桥,横跨欧非两洲,长达30公里,桥基建在500多米深的海床上,桥端一头是西班牙的帕洛马山,一头是摩洛哥的马拉巴塔山,总投资约30亿美元,计划于2005年全面竣工通车。还有一项更宏伟的工程是跨越白令海峡、连接美国与俄罗斯的大桥,由美国林同炎教授牵头承担设计和投资概算研究,大桥总长度80.45公里,共222跨,分上中下三层(上层公路、中层铁路、下层天然气管道),现已完成总体设计方案,计划施工期为5年。
尽管世界桥梁技术飞速发展,但仍然不能满足社会经济运行的需求,特别是在一些重要海峡,由于交通量不断激增,迫使不得不重建第二座大桥。如位于巴尔干半岛的博斯普鲁斯海峡大桥,1973年10月通车,目前平均每天通过车辆高达6万—7万辆,高峰时每分钟有数百辆车排队交费,仅仅20年的时间,就使大桥通过能力饱和,现正在准备兴建第二座跨海大桥。这些因素我们在开辟渤海海峡通道时均应充分考虑在内。
从渤海海峡的实际情况看,具有许多兴建大桥的有利条件。一是地理条件得天独厚。自蓬莱登州角向北65公里北隍城岛之间,有众多岛礁可以利用作为大桥桥基。二是渤海海峡平均水深仅25米,南部诸岛等深线大都在10米以内,造桥难度比世界其他海峡小得多。三是海底地质条件较好,均为岩基地质。四是海面风浪不大,可以满足建桥需要。五是海峡两岸建材资源丰富,有足够的石、沙、水泥可就近搬运利用。不足之处是,自北隍城岛向北42公里的老铁山水道,无任何岛礁,如果跨越这段距离,必须要吹填人工岛作为大桥桥基。更重要的是,渤海海峡是环渤海各大港口的出海口,需要充分考虑将来大型船只的通过,桥身太低了不行,桥身过高又使工程难度加大,提高跨海大桥的总造价。
为扬长避短,最大限度地利用渤海海峡地形,可考虑“南桥北隧”混合通道方案。即海峡南部约65公里的距离,利用岛礁架桥;海峡北部约42公里的距离,实施海底隧道工程。这种桥隧结合的形式,在解决水陆运输矛盾特别是有主要水运航道通过的海峡运输问题时,经常被世界许多国家所采用,是解决渤海海峡纵横运输矛盾的一个好办法。