發布時間：2022-04-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要] 從對航空及航運的影響、通行能力和行車舒適性、行車安全與氣候適應性、施工難度及工程風險等方面對橋梁、隧道方案各自的技術特性進行了分析與比較。從技術角度考慮，橋隧方案皆具有實施的可行性，隧道在航運影響、氣候適應性、生態環境等方面明顯優于橋梁，而橋
[摘要] 從對航空及航運的影響、通行能力和行車舒適性、行車安全與氣候適應性、施工難度及工程風險等方面對橋梁、隧道方案各自的技術特性進行了分析與比較。從技術角度考慮，橋隧方案皆具有實施的可行性，隧道在航運影響、氣候適應性、生態環境等方面明顯優于橋梁，而橋梁則在通行能力、施工難度和風險、運營成本、行車安全、行車舒適性、景觀效果等方面優于隧道。隨后，運用層次分析法建立了渤海海峽跨海通道比較評價的指標體系，并確定了各指標的權重系數。通過專家打分法和隸屬度函數取得各定性指標和定量指標的隸屬度，最后運用模糊綜合評價模型計算全橋梁、全隧道及橋隧組合方案的模糊綜合評價值，全隧道方案評價得分最高，因此，推薦渤海海峽跨海通道采用全隧道方案。
[關鍵詞] 橋梁與隧道工程;跨海通道;渤海海峽;方案比選;模糊綜合評價
1 前言
渤海是我國最大的內海，渤海海峽是渤海的咽喉要道。渤海海峽跨海通道，就是要利用渤海海峽及廟島群島的有利地形，以合適的形式，建設一條便捷通道，形成一條連接渤海南北兩岸的交通運輸干線，全面溝通環渤海高速公路網、鐵路網，進而形成一條總長約4 000 km(國內部分)、貫通我國南北的交通大動脈。在項目決策的各個環節中，渤海海峽跨海通道方案比選能為工程論證、決策、規劃及建設提供充分的依據，對項目的工程造價、社會經濟效益、環境影響等均具有重大的影響。柳新華、宋克志、王夢恕等曾對國內外跨海通道建設經驗、水下隧道技術難題及渤海海峽橋隧組合方案進行了初步研究[1~4] ，對本文的研究具有較好的借鑒意義。但是，跨海通道橋隧方案的比較評價涉及經濟、工程地質、地形地貌、航運、水文、土木工程和環境等學科，方案比選因素眾多，過程復雜，需嚴肅、認真、科學地對待[1，5，6] 。本文將對全橋梁、全隧道及橋隧組合方案進行系統的綜合比選研究。
2 各種跨海通道方案的特性比較
目前，從國內外海峽通道建設經驗來看，跨海通道主要有鐵路輪渡、全橋梁、全隧道及橋隧組合等幾種形式。鑒于在煙臺至旅順之間已有鐵路輪渡運輸線路，在此僅對橋隧方案的特性從以下幾個方面進行比較分析。
1)對航空及航運的影響。大型橋梁工程會影響到航空安全，需要在設計時事先與航空管理部門溝通取得資料，并對橋梁高度進行合理設計，設置警示裝置。同樣，在航運比較繁忙、通航貨輪噸級較高的航道上修建橋梁，會對航運造成很大影響，橋墩設置后也會造成阻流，改變水流方向，引起主槽變遷。我國在內河航運尤其是長江航運方面，由于建橋而影響航運，教訓深刻。20世紀50年代建成的武漢長江大橋，通航凈高只有18 m，60年代建成的南京長江大橋，通航凈高為24 m，而近年來建造的蕪湖、銅陵長江大橋等均為24 m。長江上未建橋之前，萬噸級貨輪可直達銅陵甚至武漢，如1931年美國萬噸級“加利福尼亞號”油輪就曾到達過武漢，而現在連 4 000 噸級船也過不了長江大橋，近幾年只有 3 000 噸級左右的船舶可以到達武漢。另外，橋孔寬度對過往船隊也有很大限制，船隊需要解駁，重新編隊，不僅耽誤自身航程，還阻礙了其他船舶通行。隨著船舶通行量的急劇增長，撞船、撞橋事故直線上升。對于跨海通道建設，周邊海灘的開發利用、碼頭建設，在通航方面無疑會提出更高的要求。需要事先和航道管理部門溝通，取得航道資料，根據航道等級確定通航孔凈高和跨徑，并詳細研究論證橋梁防撞設計方案。而海底隧道由于在水下，對航空無任何影響。對于通航方面，若采用沉管法施工應考慮隧道頂面的設計高程，對于鉆爆法、盾構法或隧道掘進機(TBM)施工應研究論證頂板厚度和隧道埋深，減少通航干擾，確保施工安全，且要合理選擇隧道海上通風口的位置，設置警示和防撞標志。
2)通行能力和行車舒適性。大橋視野開闊，行駛車輛的空氣環境好，人的心理感覺極佳，比較而言，隧道內的空氣環境欠佳，司乘人員有壓抑感。在兩側接線暢通和正常天氣條件下，同樣寬度、相同時間內大橋的交通量相對要大于隧道。
3)行車安全與氣候適應性。大橋視線開闊，行車條件較好，發生交通事故時損失也比較小;隧道中視線受限，對司機有壓抑感，行車環境相對較差，故對運營管理設施要求高，一旦發生意外事故特別是火災時損失較大。但大橋方案在雷雨大風或濃霧天氣，行車會受到很大影響，甚至要封鎖交通。因此渤海海峽跨海大橋必須認真考慮當地氣象環境對工程方案的影響。而隧道方案則不受大風、大雪、大霧、暴雨和嚴重冰凍等氣候變化的影響，能做到通道的全天候運營，具有穩定的運行能力，這正是橋梁所不具備的。
4)施工難度及工程風險。海底隧道屬于水下、地下作業，水文、地質條件復雜多變，地層透水、涌水、塌方等許多因素具有不可預見性，相對橋梁施工難度與風險較大。需做大量細致的前期地質調查工作，并在施工中采用超前地質預報，采取必要的措施，以降低施工風險。
5)施工周期。一般對同一個場址的橋梁和隧道而言，橋梁工程可以多個工作面平行施工、流水作業，機械設備、周轉材料可以得到更有效利用;施工不可預見因素相對較少，施工周期明顯短于隧道工程。而許多隧道工程在施工中作業面少，且因地質條件變化等因素影響工期，施工周期較長。
6)對生態環境的影響。大橋的橋墩施工對渤海海峽生態環境有影響，由于大橋占用海面和海域空間，對渤海海峽環境和水動力有一定影響。運營階段對環境影響小，車輛廢氣擴散快。隧道在建設和運營階段對海峽生態環境和水動力基本沒有影響，但對開挖過程中產生的棄碴要進行有效的處理和利用。另外，運營期間汽車尾氣污染在隧道內集中，需要有完善的通風措施，通風塔集中排出的尾氣對環境有一定的影響。
7)接線與拆遷量。大橋需要較長的引橋才能與地面連接，占地面積大，拆遷量大，相比而言，隧道出口可以直接與城市道路結合，拆遷量比大橋小。據此比較，隧道的接線與拆遷費用低于大橋，與路網接線容易，與周邊總體規劃的協調性好。
8)運營成本及維護費用。海底隧道易于做到一洞多用，可以同時布設電纜、通訊電纜、光纜等，易于檢查和維修。而橋梁在此方面受限。橋梁工程建成后，不需通風設備，防災設備簡單，僅需防腐耐久性的維護和一定量的檢查維修，工作量較小、性質明確，運營維護費低，尤其用電量明顯低于隧道。而隧道工程在運營期間需要較大一筆資金用于通風、照明、通信、監控、報警、消防等多種設備，需配用管理人員多，且維護和管理費用高。但隧道結構耐久性好，在運營期間主體結構基本無需維修。相對而言，從運營成本上分析，橋梁優于隧道。
9)景觀效果。橋梁在原來空無一物的空間中，創造了新的構筑物，它與橋位處的自然景觀及其他人工構筑物一起，構成整體景觀，影響著周圍的環境，給生活場所帶來變化。同其他建筑物一樣，人類在建造過程中不斷地將審美的追求和創造滲透到橋梁建筑中。橋梁有別于其他結構的美學特征有通達之美、凌空之美、流暢之美及剛柔之美。隧道基本保持原有海岸和海島的自然風貌，但不能產生標志性景觀。
10)防戰能力。渤海海峽是我國重要的海上交通要道，是京津塘的門戶。橋梁目標明顯，易遭受軍事打擊，如主橋倒塌不僅影響交通功能，還可能影響主航道的順暢通航，影響軍事防御系統的快速啟動和發揮作用;隧道在戰爭期間隱蔽性好，不易被摧毀，甚至可以繼續發揮交通運輸作用，即使遭受打擊，也不會影響航道安全。
11)岸線資源影響。橋梁占用一定的岸線資源對岸線開發利用產生影響，而隧道則基本不影響。
12)運營期間抗災能力。全橋梁方案運營期間抗災能力較好，對火災、水災和意外交通事故可以實施陸上或海上施救，救援方案安全便捷。而隧道內受交通斷面限制，不利于交通疏導，施救工作難以展開，抗災能力較差，一旦發生災害，洞內設施、設備損失也很大。
13)抗震能力。由于周圍巖土介質的存在，對地下結構有較好的約束，隧道與橋梁的地震動力反應特點明顯不同。地震發生時，隧道結構隨自由場巖土介質一起運動，慣性較小，因而動應力較小，不宜遭受破壞。而地上結構存在明顯的慣性力和動應力，結構容易因地震發生破壞。因此，隧道與橋梁相比具有較好的抗震能力。
經上述綜合分析比較，單從技術角度考慮，橋隧方案都具有實施的可行性，隧道在航運影響、氣候適應性、生態環境等方面明顯優于橋梁，而橋梁則在通行能力、施工難度和風險、運營成本、行車安全、行車舒適性、景觀效果等方面優于隧道。
橋隧組合方案是根據自然地理條件，北跨海通道北部修建海底隧道、南北利用廟島群島修建大型跨海大橋，兼有橋梁與隧道優點，也兼具橋梁與隧道的缺點。根據渤海海峽的地理位置，渤海海峽跨海通道若要建設橋隧銜接工程，將在渤海海峽北部島嶼進行。橋隧銜接工程建設需要較長的場地，按鐵路隧道1.8 %的縱坡要求，初步測算橋隧銜接部位需要4~5 km的長度，如丹麥厄勒海峽跨海通道的橋隧組合工程(鐵路)，中間人工島長度達4 050 m。廟島群島北部北、南隍城島及大、小欽島的長度均不滿足要求。若要在廟島群島北部建設橋隧銜接工程，將需要填海連島建設橋隧銜接場地，此舉施工將會對居民、海岸、植被及生態環境造成極大的破壞。
在進行跨海通道方案比選時，除考慮上述因素外，還應遵循以下幾點原則。
1)跨海通道方案與工程技術應遵守確保建設全過程的安全風險最小，應按安全、可靠、適用、經濟、先進的次序進行，這樣的次序不可顛倒。盲目創新，追求新穎，缺乏科學實例證明的方案和技術是不可采用的。
2)工程規劃、修建應遵守環境效益第一、社會效益第二、工程本身效益第三的次序進行評定，確保建一個工程就給人民和后代留下精品遺產，不要留下讓人唾罵的遺憾工程。
3)工程規劃、修建應遵守少拆遷、少占地、少擾民、少破壞周邊環境的原則。
3 渤海海峽跨海通道橋隧方案評價指標體系
對渤海海峽跨海通道3種固定式通道方案(全橋梁、全隧道及橋隧組合)建立比較評價的指標體系并建立比選評價模型進行方案比選及評價。橋隧方案比選涉及面廣，影響因素多，依據公共投資項目的評價理論主要從技術、經濟、環境和社會4個方面展開分析。
3.1 評價指標體系的構建
方案比選是由相互聯系、相互作用的若干要素構成的有機整體，可稱為一個系統。在此，將方案比選這個復雜的問題分解為多個相互聯系的組成部分或要素，構成一個有序的遞階層次結構，從而使其概念化、條理化、層次化。這一遞階層次結構包括目標層、準則層和指標層。
在搜集、整理相關文獻資料、實地調研和專家咨詢基礎上，跨海通道全橋梁、全隧道及橋隧組合方案比選從技術、經濟、環境和社會4個方面展開，本著科學性、可操作性和重要性等原則，以渤海海峽跨海通道為例構建技術、經濟、環境和社會4個方面的指標。各層次的劃分及內容見表1。
3.2 評價指標體系指標權重的確定
為了體現各個指標在評價指標體系中的地位以及重要程度，在指標體系確定后，必須對各指標賦予不同的權重系數。下面采用層次分析法確定比較評價指標體系的權重。
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依據跨海通道全橋梁和全隧道方案比較評價指標體系和層次分析法確定權重的原理，設計了跨海通道全橋梁和全隧道方案比較評價研究的問卷調查，以專家評分為基礎構建兩兩比較的判斷矩陣。在向有關專家和學者發放的 28 份問卷調查中，回收問卷16份，有效問卷14份。
3.2.1 準則層各因素的權重
準則層包括技術因素、經濟因素、環境因素和社會因素，對其進行兩兩比較構造比較判斷矩陣如表2所示，其中aij表示評價值，專家依據重要程度賦值，由14份專家問卷調查得到14個判斷矩陣。
4 渤海海峽跨海通道橋隧方案評價方法
跨海通道方案的優選存在許多模糊問題，主要有：a. 各評價指標權重具有模糊性，指標權重表示各指標的相對重要程度，它的確定是通過專家的主觀判斷而定的，而人的判斷不自覺地采用模糊判斷; b. 各指標評分值具有模糊性，指標的評分也是評價者通過主觀判斷而定的，因而也具有模糊性;c. 評價結果具有模糊性，評價結果不僅反映了被評價對象的排序情況，而且反映了評價者對評價對象的認可程度，由于各評價者對評價對象的認可程度的差異，所以評價結果不應是一個唯一的量，而應是一個模糊的量;d. 評價過程具有模糊性，評價是對評價指標的評分值進行綜合分析，得到評價對象的綜合評價值的過程，由于指標評分值及評價結果均是模糊量，所以評價過程不能采用確定的方法，而應是模糊的方法。針對上述問題，采用模糊綜合評價的方法對跨海通道方案進行比較評價[6] 。
4.1 模糊綜合評價模糊綜合評價
就是以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將一些邊界不清，不易定量的因素定量化，進行綜合評價的一種方法。它的特點是：a. 能定量地處理那些影響分析和決策的種種模糊因素，使分析的結果更符合客觀實際，提高決策的科學性與準確性;b. 能充分考慮事物的中介過渡性質，浮動地選取閥值，從而能給出一系列不同水平或指標下的分析結果，為人們的決策提供廣泛的選擇余地。該方法的缺點是在某些情況下，隸屬函數的確定有一定困難，尤其是多目標評價模型，要對每一個目標，每一個因素確定隸屬函數，過于繁瑣。
4.2 隸屬度的確定
隸屬度的確定是模糊綜合評價的關鍵之一。由于部分指標難以定量確定隸屬度值，所以將評價指標分成兩大類，即定性指標和定量指標。當然，能定量就最好用定量的方法。定性指標隸屬度的推求采用模糊統計法;定量指標的隸屬度用模糊數學方法推求，即用最大、最小隸屬函數模型，來模擬部分定量指標的隸屬函數曲線。
4.2.1 定性指標隸屬度的確定[2]
本項目以問卷調查的形式請橋梁、隧道方面的專家對備選方案中技術因素、經濟因素、環境因素和社會因素中的定性指標進行打分，打分時并不要求給出具體的分值，而是在5個評語級別“很好，較好，一般，較差，很差”上認為最合適的某一級別上打勾即可。打分時要求參閱具體資料，力求打分客觀、公正。然后依據隸屬度賦值標準(見表5)，對各專家的評語集進行統計分析從而得出定性指標的隸屬度。
4.2.2 定量指標隸屬度的確定
各定量指標可能存在正逆不同、量綱不同、性質不同，需要通過制定評分標準對指標數據進行標準化處理。根據國內外同類型項目的最先進的指標值或有關客觀標準為評價標準，項目采用最大、最小隸屬函數模型來模擬部分定量指標的隸屬函數曲線，即采用升半梯形分布隸屬函數曲線和降半梯形分布隸屬函數曲線。對越大越好的定量指標，采用升半梯形分布隸屬函數曲線確定其隸屬度;對越小越好的定量指標，采用降半梯形分布隸屬函數曲線確定其隸屬度。
4.3 跨海通道方案的模糊綜合評價
4.3.1 給出備擇的對象集
根據渤海海峽跨海通道實際情況，確定的全橋梁、全隧道及橋隧組合3個方案構成的備擇集為 X={全橋梁Ⅰ，全隧道Ⅱ，橋隧組合Ⅲ｝
4.3.2 確定方案評價的因素集
根據前面所述的跨海通道方案比選的影響因素和構建的評價指標體系，確定方案比較評價的因素集為
U={技術可實施性，施工難度，工程的耐久性，工程的安全性，投資回收期，IRR，EIRR，資金籌集難度，工程的景觀效果，對海洋及海洋生物的影響，對航道及航運的影響，受氣候的影響，對工程周邊居民的影響，與城市規劃的協調，戰備效益｝
4.3.3 確定評價集
根據渤海海峽跨海通道要求和條件確定的幾個可行方案構成方案評價的備擇集為
V={很好，較好，一般，較差，很差｝
4.3.4 確定隸屬度
1)定性指標的隸屬度。定性指標共有12個，其隸屬度以問卷調查的方式請專家直接給出。在有關專家和學者發放的 28 份問卷調查中，回收問卷 16份，其中有效問卷14份。通過對各專家的評語集進行統計分析可以得出定性指標的隸屬度。全橋梁方案、全隧道方案、橋隧組合方案中定性指標的專家評價及指標的隸屬度見表6~表8。——論文作者：宋克志
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