高鐵跨越臺(tái)灣海峽，先填兩座人工島，中國將再創(chuàng)世
2016-03-14
最近披露的“十三五”規(guī)劃草案，赫然出現(xiàn)了要“建設(shè)北京至臺(tái)北高鐵”的提法，讓全國人民猝不及防。而北京至臺(tái)北的高速公路，也就是納入國家規(guī)劃多年的G3，也“趁機(jī)”再次被提上日程。福建平潭綜合試驗(yàn)區(qū)黨工委書記張兆民在兩會(huì)期間放出風(fēng)聲，說京臺(tái)高速技術(shù)上已經(jīng)沒有問題。
高鐵跨越臺(tái)灣海峽，中國真的做好準(zhǔn)備了嗎？人類改變地球面貌的能力究竟達(dá)到了什么水平？
史無前例的大工程
說起跨海工程，最有名的大概就是英吉利海峽隧道了。這條1994年完工的隧道單線全長51公里，其中海底部分長38公里，是海底段世界最長的隧道工程。
之所以強(qiáng)調(diào)海底段，是因?yàn)榘慈L計(jì)算，日本的青函隧道將以54公里成為世界第一。連接日本本州島和北海道的青函隧道，海底部分長23.3公里，且只有兩條隧洞，工程量遠(yuǎn)小于3條隧洞的英吉利海峽隧道。但青函隧道開工于1964年，比1987年開工的英吉利海峽隧道早了20多年，因此技術(shù)上相對落后，24年的耗時(shí)足足是后者的3倍。
青函海底隧道示意圖
中國國內(nèi)最長的海底隧道，是青島的膠州灣隧道，全長7.8公里，海底部分不到4公里，與上述兩條隧道差了不少。
壯觀的杭州灣大橋
水霧繚繞的膠州灣大橋
不過中國擁有目前世界上最長的兩座跨海大橋——杭州灣大橋和膠州灣大橋。只算海上部分，兩者的長度分別為32公里和27公里。
此外，中國還有一個(gè)在建的港珠澳大橋，這實(shí)際上是一個(gè)橋隧組合的方案，海中橋隧長35.578公里，其中海底隧道長6.7公里。
橫跨膠州灣的海灣大橋和膠州灣出口處的海底隧道，將青島與西部的黃島新區(qū)連接起來。之所以出口處采用成本更高的隧道，是為了不妨礙內(nèi)側(cè)的青島港通航。
與這些工程相比，跨越臺(tái)灣海峽的工程難度有多大呢？
目前工程界對臺(tái)灣海峽跨海工程的線路主要有三種設(shè)計(jì)，最短的北線方案由福建平潭島至臺(tái)灣新竹市，基本也是海峽最狹窄的地方。即使是這里，兩岸相距也有130公里，是英吉利海峽的3倍還多。
而最遠(yuǎn)的南線方案始于廈門，經(jīng)金門、澎湖到達(dá)臺(tái)灣南部的嘉義，長約174公里，是最遠(yuǎn)的選擇。
臺(tái)灣海峽跨海工程的三條線路設(shè)想。大陸學(xué)者普遍傾向于距離最短、地質(zhì)最穩(wěn)定的北線方案。
在這樣的距離上，無論是隧道還是橋梁，世界上都還沒有先例。
橋梁還是隧道？
那么，如果真要建造這樣一條通道，應(yīng)當(dāng)選擇橋梁還是隧道？技術(shù)上是否可行，自然條件又是否允許？
首先從水深來看，臺(tái)灣海峽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米左右的淺灘，但澎湖海溝深度可達(dá)數(shù)百米。相比之下，日本青函隧道最深處距離海平面達(dá)到240米，完全可以滿足臺(tái)灣海峽的要求。
而中國目前建成的跨海大橋，只有廣東湛江海灣大橋的最大水深超過了20米。
臺(tái)灣海峽的水深情況
說起臺(tái)灣海峽，普通人最大的擔(dān)心恐怕還是地震。島嶼地區(qū)歷來地震多發(fā)，有數(shù)據(jù)顯示，1914年至2014年的一百年間，中國全部3888起5級及以上地震，有35.9%發(fā)生在臺(tái)灣。1999年臺(tái)灣“9·21”7.6級地震尤其令人印象深刻，造成近2400人遇難。
過去一百年，臺(tái)灣地震遠(yuǎn)多于其它省份
不過具體到臺(tái)灣海峽，其實(shí)地震的威脅遠(yuǎn)沒有那么大。我國海洋地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威彭阜南教授等人曾經(jīng)專門為臺(tái)灣海峽隧道做過分析。他們在2001年的一篇論文中指出，地震的發(fā)生都是有規(guī)律的，即使是在多震區(qū)也能找到安全地帶。
具體來說，整個(gè)20世紀(jì)臺(tái)灣共發(fā)生過18次7級以上地震，沒有一次是發(fā)生在海峽之中的。福建一側(cè)的泉州外海曾經(jīng)發(fā)生過著名的8級地震（其實(shí)已經(jīng)被修正為7.5級），但那已經(jīng)是1604年的事了。在平潭至新竹一線，歷史上從未發(fā)生過超過7級的大地震。
臺(tái)灣地震主要集中在東北部，海峽之中其實(shí)相對較少（點(diǎn)擊圖片可查看大圖）
地下隧道的抗震性能本來就比地上建筑要好，日本的青函隧道可以抵抗8級烈度的地震。而且，平潭至新竹一線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)多為堅(jiān)固的花崗巖，提供了更好的抗震效果。盡管地震的威脅絕對不可忽視，但并非不可克服。
隧道相對于橋梁的優(yōu)勢，還在于通航能力和抗風(fēng)、耐久性。
臺(tái)灣海峽作為一條重要的戰(zhàn)略水道，對船只通行能力的要求極高。對于橋梁來說，大跨度的橋梁只能選用斜拉橋和懸索橋，比如杭州灣大橋，主體采用梁式橋，但主跨采用斜拉橋，橋下寬度448米，可以通行3.5萬噸級別的海輪。日本明石海峽大橋是世界跨度最大的懸索橋，主跨1991米。中國工程院院士林元培2007年曾經(jīng)表示，臺(tái)灣海峽大橋海上跨徑要盡可能的大，上部結(jié)構(gòu)選3300米懸索橋，但這樣的跨度世界上還沒有先例。（意大利曾計(jì)劃修建連接西西里島的墨西拿海峽大橋，跨度超過3000米，已經(jīng)拿出了設(shè)計(jì)方案，但因耗資太大被叫停。）
日本明石海峽大橋
東南大學(xué)徐文平副教授曾在實(shí)驗(yàn)室中，為瓊州海峽跨海大橋設(shè)計(jì)5000米跨度的復(fù)雜懸索橋結(jié)構(gòu)
懸索橋的抗風(fēng)性能是一個(gè)隱患
此外，橋梁暴露在海面上，建筑材料受到的腐蝕更加嚴(yán)重，維護(hù)更換都非常困難而且成本較高。
建在海面上的大橋，還會(huì)受到惡劣天氣的嚴(yán)重影響，為此，林元培院士還提出了把道路由橋面移至箱梁內(nèi)的暢想，但這同樣沒有先例。
綜合來說，隧道是比橋梁更好的選擇。
先填兩座人工島？
不過橋梁相對于隧道的優(yōu)勢在于成本較低。當(dāng)然，這里的成本低僅僅是指引橋部分，一旦主跨達(dá)到3000米級別時(shí)，成本可能還要超過隧道。比如，墨西拿海峽大橋總長不到4000米，預(yù)計(jì)耗資竟達(dá)到120億美元。
為了降低總成本，有人提出臺(tái)灣海峽可采用橋隧結(jié)合的方法，在海峽中間修建兩座人工島，兩側(cè)使用橋梁連接，中間使用隧道。
在數(shù)十米深的海峽中填出兩座人工島，可能嗎？中國還真的在這么做了。建設(shè)中的港珠澳大橋，就是采用的類似方案。
港珠澳大橋的人工島
港珠澳大橋共有東西兩個(gè)人工島，面積都是10萬平方米左右，填島處水深18米。施工人員采用了首創(chuàng)的鋼圓筒圍堰干法施工工藝，先用60個(gè)50米高的鋼筒插入海底圍成一圈，再向中間注入填充材料，僅用時(shí)7個(gè)月就完成兩個(gè)島的建設(shè)。
圍海用的巨大鋼桶
這樣的人工島不僅可用于橋隧結(jié)合方案，也可用于全隧道方案。中國科學(xué)院院士、隧道工程專家孫鈞教授曾提出,由于臺(tái)灣海峽隧道長度過長，采用兩端施工的方法不僅耗時(shí)長，而且會(huì)面臨施工機(jī)械組裝、更換困難等技術(shù)問題，因此可以分多段施工，實(shí)現(xiàn)“長洞短打”。
陜西水利廳張克強(qiáng)等人的論文提出，使用人工島連接多段隧道，也是一個(gè)可行的辦法。
不過即使這樣，臺(tái)灣海峽隧道也是一個(gè)巨大的工程。按照英吉利海峽的三孔設(shè)計(jì)（中間為安全通道，兼具通風(fēng)等功能），北線150公里（包括陸地延伸）的隧道實(shí)際上要打450公里。
孫鈞院士在2014年的論文中認(rèn)為，即使樂觀計(jì)算，將左右主隧道分割成5段同時(shí)施工，也要耗時(shí)30年才能完成。
短期內(nèi)開工不現(xiàn)實(shí)
假設(shè)上面的技術(shù)條件都已具備，我們真的能在“十三五”就看到臺(tái)灣海峽隧道開工嗎？客觀地說，幾乎毫無可能。
盡管從80年代末開始，國內(nèi)專家就開始提出隧道設(shè)想，2000年以來，相關(guān)論文也是每年都有，但這些研究都還處于粗略的暢想階段。很多專家在論文中也提到，我們對于臺(tái)灣海峽地質(zhì)條件的掌握還非常有限。
英吉利海峽的地質(zhì)鉆探工作從1958年做到1987年，動(dòng)用了大型石油鉆探機(jī)械，重要的鉆孔達(dá)94個(gè)?？梢哉f，臺(tái)灣海峽所需要的勘探工作只會(huì)更多，而鑒于周邊的政治局勢，耗時(shí)實(shí)在難以預(yù)估。
那么，“十三五”規(guī)劃只是一紙空文嗎？當(dāng)然不是，且不說目前規(guī)劃原文還未公布，即使真的有“北京至臺(tái)北高鐵開工”這樣的字句，但文件中的表述跟我們的日常語言畢竟不同。
事實(shí)上京臺(tái)高鐵是由多段路線組合成的一個(gè)概念，如下圖所示，下一個(gè)五年正在和可能要建設(shè)的北京至霸州、商丘至阜陽至合肥兩段高鐵都是未來京臺(tái)高鐵的組成部分。這些線路的建設(shè)都可以被稱為“京臺(tái)高鐵建設(shè)”。
北京至臺(tái)北、香港的高鐵線路（據(jù)知乎用戶hat600）
而就在福建平潭，一座連接平潭主島和大陸的跨海大橋正在建設(shè)之中。這是中國第一個(gè)真正意義上的跨海公鐵兩用橋，當(dāng)然也可視為未來京臺(tái)高鐵或者高速的一部分。（這座長度3000多米的橋建設(shè)難度同樣不小，且由于天氣原因，一年中只有120天左右適合施工，可以想象未來海上建橋的難度只會(huì)更大。）
所以說，像臺(tái)灣海峽隧道這樣可能耗時(shí)半個(gè)世紀(jì)的世紀(jì)工程，我們還需要多一些耐心。
最后，即使海底隧道真的通了，也別指望高鐵能達(dá)到陸上的高速。由于空氣動(dòng)力學(xué)的原因，高鐵在這樣的長距離隧道中可能只能跑到160公里的速度。（隧道中通風(fēng)困難，列車高速前進(jìn)會(huì)增大前方空氣的壓強(qiáng)，從而產(chǎn)生較大阻力。）而至于跨海高速，其實(shí)英吉利海峽的汽車是裝在火車上運(yùn)過去的，否則汽車尾氣就會(huì)讓人受不了。
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