重庆朝天门两江隧道工程可行性探讨

重庆朝天门两江隧道工程可行性探讨

钟祖良 刘新荣 王 婷

(重庆大学土木工程学院,重庆400045) (宜宾市投资集团有限责任公司,宜宾4002)

摘 要 文章探讨了目前国内过江隧道的建设情况及修建过江隧道的优越性,针对重庆市都市发达经济圈交通联系不便的现状,提出在朝天门修建两江隧道的方案。通过对隧址区的地质条件、隧道的经济效益,以及隧道修建和运营的技术的可行性分析,证明在两江修建隧道是适宜的。它既符合可持续发展的需要,又符合国防建设的需要,并且对都市的经济快速发展和环境保护都起着重要作用。

关键词 过江隧道 江底深槽 盾构技术中图分类号:U 452.2 文献标识码:A

1 国内过江隧道建设概况

自20世纪80年代以来,因桥梁的通航净高过低严重制约航运的发展,尤其在近几年,由于全国各地普降暴雨,江河防汛形势较为严峻,致使江河水位多次超过警戒水位,为防止船舶发生撞桥事故,保障跨江大桥的安全,航运部门曾多次封孔,不允许桥下通航。由于桥梁通航净高的不足,无论从航运的远期规划还是从工程的经济、社会效益来看,存在的弊端是很明显的,再加上国防意识的增强,过江工程越来越偏向于水下隧道方案。

自20世纪70年代开始,我国有很多已建或在建的过江隧道[1]

。采用盾构法施工先后建成了上

海黄浦江底几条隧道[2]

:上海打浦路越江隧道(2.761km )、上海延安东路隧道北线(2.261km )、上海延安东路隧道南线(2.437km )、上海大连路隧道(1.27km )、上海明珠线第二期越江隧道(1.16k m )、上海复兴东路越江隧道(1.21km )以及四川金堂清江北河隧道过江输气管道工程(0.4km )、三江口过江隧道(1.992km )、重庆长江主航道第一条江底输气隧道(1.062km )、第二条江底输气隧道(0.96km )、重庆忠江隧道(1.66km )、重庆主城区排水过江隧道(0.925km );正在施工的还有上海崇明越江隧道(8.95km )、南京纬七路过江隧道(6.16km )、武汉长江公路过江隧道;采用沉管法施

工建成了宁波甬江隧道(长1.02k m )、广州珠江隧道(1.238km )、上海外环线黄浦江下游越江隧道(2.875km ),以及正在施工的有广州仑头至生物岛

过江隧道(1.18km );此外,上海还计划在2010年前再修建14条过江隧道,南京计划规划第二条过江隧道(纬三路过江隧道),杭州市钱塘江规划在今年年底修建过江隧道,广州还计划修建洛溪岛至大学城过江隧道和新造至大学城过江隧道。为了更好地方便城市之间的交通,我国过江隧道工程会越来越多。

2 修建过江隧道的优越性

现行的过江通道方案中主要是桥梁和隧道,虽目前过江隧道的数量比跨江桥梁少,但有关专家们建议,尽量减少跨江桥梁的数量,在各方面条件成熟时宜修建水下隧道,以桥隧并举的方式跨越江河。水下隧道虽起步比较晚,但在很多方面有着桥梁无法比拟的优越性[2]

。

(1)不侵占水路航道净空,不影响航运。跨江桥梁的修建一般是根据桥梁两边地面高程设计桥梁的坡度,这样桥身的净高将受到一定的。随着江底河沙的淤积和河床的变迁,以及船舶吨位的不断升高,跨江桥梁对航运的越来越明显。而过江隧道对航运没有这方面的。

(2)不受大风、雨、雪、雾等恶劣自然环境的影响,能全天候通行,并有很强的抵抗战争破坏和抗自

修改稿返回日期:2007-03-05作者简介:钟祖良,男,博士研究生.

30 第44卷第3期2007年6月 现代隧道技术M odern Tunnelli n g Technology

Vo.l 44 No .3

Jun .2007

(3)建设时需要拆迁的面积少,可以大大降低工程综合造价。

(4)水底隧道具有很大的载荷能力,不像桥梁通行车辆载重受设计荷载的,而且结构耐久性好,结构维护保养费用比桥梁低得多。

(5)水底隧道不会引起河床的变化,对生态环境干扰影响小,能避免噪声、尘土对周围环境的影响。

(6)建设时用钢量比桥梁少,且只需普通建筑钢,比大桥造价低。

(7)设计可以做到一洞多用,可以把城市供水、供电、供气和通讯等设施安排在比较安全、稳定的环境中。

3 朝天门修建两江隧道的必要性

重庆市位于中国西南部,地江上游,与湖北、湖南、贵州、四川、陕西等省接壤,总面积82400 k m2,是我国西南地区的经济中心、长江上游水陆交通的枢纽及对外经济技术交流的主要港口。重庆由一岛两岸!(渝中区、南岸、江北区)组成,位于中梁山和真武山脉之间,是个山地城市。其市中心(渝中区)位于二江的汇合处,是地形十分狭窄的山城半岛,面积仅有9.3k m2,却是重庆行政、商业中心,吸引了大量的人流、车流,占重庆主城区交通总量的1/5之多。重庆市主城区目前存在如下严峻的问题。

(1)一岛两岸!被嘉陵江与长江相隔,过江通道严重不足,尤其是朝天门附近与南岸、江北的沟通几乎为零,只有过江索道、轮渡,车辆要通过绕行黄花园大桥和长江石板坡大桥才能分别到达江北区和南岸,都市圈的经济很大程度上受到制约。

(2)道路容量不够,道路密度低,可供道路开发的剩余空间不足。随着城市交通工具数量的急剧增长,今后渝中区的道路将承受更大的交通压力。

(3)山地城市各个标高层次的路网连接点少,道路结构失衡,等级搭配不合理。

(4)经济、城市的快速发展与现有道路基础设施间的矛盾日益尖锐。

此外,重庆市正在打造碑商务区(CB D),它是由碑、南岸弹子石、江北城组成的。隧道建成之后,商务区的经济将高度发展,人流、物流、车流将进一步的增加,仅靠现有的过江索道、轮渡和绕行黄花园大桥和长江大桥,远远不能满足需要。为了加强一岛两岸(渝中半岛、江北和南岸)之间的密切沟通,促进城市经济的快速发展,在朝天门附近修建过江工程势在必行。而现行的过江方案要么是桥梁,要么是水下通道。考虑到城市的可持续发展、保护长江和嘉陵江水上运输通道和国防要求等,经专家多方论证,大多数倾向于修建水下通道。国内外已有很多水下通道成功的修建或正在修建,如上海崇明岛过江通道、武汉长江过江隧道、南京长江江底隧道、青岛海底隧道、英法海峡隧道、日本青函隧道等。它们的建设对两岸经济的发展都起到了巨大的推动作用,加快了两岸的建设步伐,促进了城市可持续发展。

4 修建两江隧道的可行性探讨

4.1 地质可行性分析

(1)隧址区地层分布及地质构造

两江隧址区出露地层为第四系全新统人工填土(Q4m l)、残坡积层(Q4el+d l)及侏罗系中统上沙溪庙组(J2s),其中以J2s的部分砂、泥岩地层为主。区内砂岩体一般厚度为9.00~21.00m,个别层位可达30.00m左右,全区砂岩体与砂质泥岩、泥岩的总厚度比例为1∀9左右(图1)

。

图1 两江隧道地区地层分布

F ig.1 S trata distri buti on i n the subaqueous t unnel reg i on

隧址区位于川东南弧形构造带,华蓥山帚状褶皱束东南碑向斜轴部及两翼,该向斜为平缓开

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重庆朝天门两江隧道工程可行性探讨阔式褶皱,轴部及翼部全由上沙溪庙组砂岩、泥岩及其组合组成。区内未见断层通过,岩层产状:碑向斜东翼280~300#∃3~6#;碑向斜西翼130 ~140#∃3~7#。南岸区一带岩层走向北东、倾向北西、倾角45#~60#。渝中区至江北城一带位于向斜核部,岩层平缓,一般为8#~15#。区内无区域性断裂构造穿越,地质构造简单。

(2)岩体工程地质特征

从已修的重庆排水过江隧道工程资料可知[3],重庆两江隧道隧址区的砂岩体以较软岩类为主,单轴饱和抗压强度(R b)为21.00~31.00M Pa。区内岩体强度较高、质地均匀,具有较好的自稳能力,便于两江隧道的矿山法开挖,也适用于利用TB M法或盾构法等机械化施工。

(3)水文地质概况

两江隧道隧址区的水文地质特征较明确,泥岩层、砂岩层的裂隙不发育,具有较弱的透水性,是区域性的相对隔水层。根据相关资料[3]可知,隧址区泥岩层的透水系数为0.02~0.10m/d,砂岩层透水系数为0.10~0.30m/d,最大处达到3.65m/d。在以后的隧道施工中部分地段存在江水沿砂岩层中的裂隙网络渗入隧道,这也成为两江隧道施工中最受关注的工程地质问题。

经初步分析判断,隧址区砂岩夹层强透水层主要出露于南岸慈云寺一带岸坡及沿江地段,由于砂岩上、下顶、底板有隔水层夹持,有条件进行帷幕灌浆止水,可以减缓或阻止江水注入。其余砂岩厚度有限,一般为3.00~10.00m,产状平缓,但埋深有限(一般在30.00m左右)。也有可能利用枯水期在渝中区的月亮碛、江北嘴、金沙碛处进行帷幕灌浆止水,达到安全施工、运营目的。

(4)地应力特征

根据重庆排水过江隧道[3](太平门至海棠溪排水隧道工程)地质勘察中实测的二维应力场资料,上述地段至长江、嘉陵江汇合区一带的最大主应力方向为北38#~60#西,水平最大主应力值仅1.6~ 2.3MPa,地应力值水平相对较低,两江隧道带属低应力区,区域地应力对两江隧道施工安全不存在影响。

(5)区域稳定性

隧址区位于新构造运动的相对稳定地段,经四百余年历史地震记录和现代地震观测,近、现代和未来该区地震地质活动仍以3~3.9级弱地震为主,属地震地质活动的相对宁静区。

综上所述,重庆朝天门两江隧道隧址区位于区域地质相对稳定地段和地震地质活动相对宁静区;该区地应力的最大主应力值仅1.6~2.3MPa,属低应力区;区内无大型断裂构造,地质构造简单,而且隧址区的砂、泥岩强度适中,有一定的自稳能力,这些对于两江隧道建设都是十分有利的。

4.2 经济可行性分析

据专家们称,根据发达国家的经验,当人均国内生产总值达到1000美元时,城市地下空间的利用就开始起步,当人均国内生产总值达到3000美元时,地下空间就进入大规模开发利用阶段。重庆市都市发达经济圈2004年人均国内生产总值约为2000美元,渝中区、九龙坡区、大渡口区等几个区人均国内生产总值已超过3000美元,应当说,重庆市主城区的地下空间开发利用已进入实质性阶段。

4.2.1 工程投资估算

为了加强渝中区、南岸区和江北城之间的沟通,规划修建朝天门两江隧道。根据修建方案和两江的地质特点,采用盾构法和矿山法混合方法施工。两江隧道由朝天门地下转盘、嘉陵江隧道、长江隧道、望龙门隧道组成,三条隧道呈Y!字型,将渝中半岛、江北城、弹子石连接。两江隧道为双洞双向六车道,单洞共长9152m,预计修建费为19亿元左右,其中:建安费为16亿元(包括洞口两座全互通立交、隧道机电工程和隧道环保、救灾工程,以及考虑两江隧道在最不利条件下的工程措施费)、洞口立交拆迁费用0.7亿元;建设期贷款利息1.3亿元、其它费用1亿元。

4.2.2 资金解决方案

朝天门两江隧道是大型水下工程,一次性投资较大,需要多达19亿元的建设资金。针对投资资金量大、筹集困难的问题,可以采用目前较流行的

B OT融资方式,参考方案如下:

(1)由城投公司负责该项目的实施,自筹资金2亿元。

(2)朝天门隧道是重庆市的重点基础建设项目,将极大地缓解市内的交通,对都市圈的发展起到重要的推动作用,因此,市至少需投资3亿元。

(3)银行贷款:一是利用国家开发银行贷款,贷款人民币5亿元,贷款期限为15年,贷款年利率为6.12%;二是利用中国银行贷款,贷款人民币5亿元,贷款期限为15年,贷款年利率为6.12%;三是利用商业银行贷款,贷款人民币5亿元,贷款期限为

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现代隧道技术15年,贷款年利率为6.12%。多余部分作为储备金。

4.2.3 运营成本

该项目建成之后,经过预先测算每年的运营成本约为747.万元。其详细费用的构成见表1。

表1 两江隧道运营成本[6]

T ab le1 O perational cost analyses of th e tunne l

项目单位

运营成本

电费维护费管理费

通风系统万元/年72.2852.5照明系统万元/年160.855.75电缆桥架万元/年%%%%%%

供配电万元/年%%%67.15监控系统万元/年15.78213.63人员费

60办公费

50

小计万元/年248.863.03110

合计万元/年748.

4.2.4 国民经济评价

(1)经济效益计算

朝天门两江隧道预计施工期为4年,工程竣工后投入营运。两江隧道共3个出入口,每个洞口为双线双向6车道。规定只在入口处收进洞费,设每天从早晨6点至晚上11点通行,车辆的平均间隔时间按15秒计算,则全部公路网通行能力为:

2&6&17&60&4.5=55080(辆)

设这些车辆中,公交、医疗、消防、公检法车辆占10%,均免收过路费,并考虑有效利用率为70%和因为设立月票、年票的优惠办法,大小车均按每车每次3元计,则年收入为3799.69万元。如果通行车辆多,则排除空气污染及照明、管理费也会增加,设年收入的45%为运营成本及税收,则前述的运营成本估算每年为747.万元,占这部分费用的43.74%。此外,由于水下隧道防排水等维修费用较高,预计每年需投入年收入的15%,即569.95万元。故扣除成本、税收、维修费后的纯收入1519.88万元的数目是有保证的。

(2)社会效益折算

在朝天门隧道修建前,从碑到弹子石,经过石板坡长江大桥、南坪、上新街,往返里程36km,坐车需72m i n;而从碑到江北城,经过黄花园大桥、五里店,往返30km,坐车也需58m i n。而修建后,通过两江隧道碑到弹子石往返里程将缩短到16.5km,坐车仅需28m i n。而从碑到江北城,往返里程将缩短到9.7k m,坐车仅需14m i n。隧道的修建将带来以下社会效益:

∋节约运输费用

该效益是指由于项目的实施使得各车型车辆的运输成本降低所产生的效益。

B1=年交通量(辆/年)&[无项目下运输成本-有项目下运输成本](元/车 km)&影响范围内道路长度(km)=3027.87万元

(节约运输时间

该效益是指节省乘客在途时间和货物在途时间的价值折算,为2507.56万元。

)缩短里程效益

由于该隧道的建设缩短了两目标间的里程,使得车辆运输成本降低而取得的效益,为29158万元。

∗提高交通安全效益

该效益是指由于项目的建设使得交通车流量减少而带来的减少交通事故效益,为269万元。

(3)经济分析

通过经济分析可得出全部投资经济内部收益率为15.29%,大于社会折现率12%。上述经济分析只是从可量化的几个方面分析,而且是比较保守的测算,巨大的效益发生在地区的发展、沿线土地的升值及对宏观经济的影响。因此可以说,本项目的经济效益很好。

4.3 技术可行性分析

朝天门两江隧道方案采用城市主干道I级标准,设计车速为50km/h。两江隧道均按双洞双向6车道组成,其单向3车道设计通行能力为4860辆/h。该方案3座隧道按照Y!字型布置。推荐方案是由朝天门地下立交加连接江北城的嘉陵江隧道、连接南岸及弹子石的长江隧道,以及渝中区的望龙门隧道组成,即:朝天门地下转盘+嘉陵江隧道+长江隧道+望龙门隧道。其中嘉陵江隧道左右洞分别长1437m和1382m(其中过江段长421m);长江隧道左右洞分别为1700m和2215m(其中过江段长480m);望龙门隧道左右洞分别长1242m 和1276m;朝天门地下转盘隧道长690m(图1)。推荐方案双洞长4576m,单洞总长9152m[6]。

根据目前国内外水下隧道的修建技术水平,对朝天门两江隧道的修建完全可以提供足够的技术支持。

考虑到朝天门两江的地质条件、隧道施工及工程造价,在三峡大坝蓄水前(即蓄水水位在175m 前)隧道的施工可以在江岸边采用明挖法,江底采

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重庆朝天门两江隧道工程可行性探讨用盾构法或钻爆法,由于在三峡大坝蓄水前,水流速度大(水流速度<5m/s),不宜采用沉管法;在三峡大坝蓄水后(即蓄水水位在175m)隧道的施工可以在江岸边采用钻爆法,江底采用盾构法或钻爆法,不宜采用沉管法(因为现行的河床挖掘机没法在175 m深水下作业),除非开发深水挖掘机[7]。

5 结束语

通过对朝天门两江隧道的三个大方面的可行性研究,我们可以得出在朝天门修建两江隧道是可行的,主要体现在以下几个方面:

(1)朝天门两江隧道隧址区位于区域地质相对稳定地段和地震地质活动相对宁静区,该区地应力的最大主应力值仅1.6~2.3M Pa,属低应力区,区内无大型断裂构造发育,地质构造简单,而且隧址区的砂、泥岩强度适中,有一定的自稳能力,适宜修建隧道。

(2)通过资金筹集方案的讨论,以及运营成本计算和投资风险分析,可得出该项目具有较好的经济效益。

(3)通过国内外修建水下隧道技术的讨论,证明朝天门隧道的修建和运营具有良好的技术保证。

朝天门两江隧道的修建将成为连接渝中区、南岸区和江北城的重要枢纽,为打造碑商务区(CB D)创造优越的交通条件,从而实现了重庆市一个中心,两条环线,射线!的交通规划。而且该项目的修建将很大程度上减少车辆排放气体对主城区的环境污染,具有较远的战略眼光,避免了修建桥梁导致净高对航运造成的。但由于朝天门两江隧道是世界上首座采用地下转盘的水下隧道,将会有很多的关键技术需要我们去攻克。

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Feasi bility study on Chaoti an m en subaqueous tunnel

project i n Chongqi ng city

Zhong Zuliang L iu X inrong

(Co ll ege of C i v il Eng i nee ri ng,Chongq i ng U n i versity,Chongq i ng400045)

W ang Ting

(Yubin Invest m ent G roup Co.,L td.,Y ub i n4002)

Abst ract The paper d i s cussed the present situa ti o n of the construction o f ri v er-crossi n g tunne ls i n Ch i n a and t h e ir super i o rities.Consideri n g the i n convenient tra ffic conditi o n i n the econo m ic center of Chongqi n g city,a plan w as pu t for w ard to bu ild a ri v er-crossing t u nne l at Chao tianm en.Feasi b ility study w as carried out in ter m s of geo l ogy cond itions,econo m ic benefi,t construction and operati o n of the tunne,l and a conclusion was dra wn that it is pro fitable to bu ild the subaqueous tunnel at Chaotianm en.The project satisfi e s the require m en ts o f sustainab le de ve lopm ent and national defence,and plays an i m portant role in econo m ic developm ent and env ironm ent pr o tection. K ey w ords R i v er-cr ossi n g tunne;l Deep trough under ri v er;Shie l d tunneli n g

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现代隧道技术