波罗的海环状铁路线的隧道工程.doc

摘要：在赫尔辛基(Helsinki)和塔林(Taelinn)之间的坚硬前寒武纪岩层(主要为花岗岩和片麻岩)中比较适于修建长的海底隧道。拟建隧道长度为5480km(有一些出入)，位于海平面以下150200m。在爱沙尼亚隧道入口处在寒武纪硬粘土和砂岩层中。芬兰与瑞典之间的博特尼(Botnia)湾下面也有相同的前寒武纪基岩存在。 在瓦萨(Vaasa)和于默奥(Umea)之间建一座隧道也是可行的，读座隧道长约2548km，深70100m。这两座隧道能将斯堪的纳维亚、芬兰和波罗的海地区的铁路线连在一起因此开通一条优质、快速、环绕波罗的海的铁路网是可能的。 赫尔辛基一塔林铁路隧道的构想包括有关工程技术和经济方面的问题，是本文的主要内容。另外还讨论了有关北欧铁路运输和隧道工程的问题。 关键词：海底隧道 规划 比选方案 可行性研究 技术性 经济性 1.前言 赫尔辛基一塔林社团组织要求对在两个城市之间修建一座铁路隧道的方案进行初步可行研究。这样芬兰至爱沙尼亚日益增长的交通运输量问题将通过铁路得到解决。这是Usko Anttikoski 1992年在丹麦奥尔堡(A1borg)举行的北欧土工技术大会上提出的。他向大家展示了一张绘有三条隧道线路的地质图，这三条隧道线路从芬兰开始呈散射状，一条通过芬兰湾;一条通过奥兰群岛；另外还有一条通过博特尼湾。根据1994年的芬兰地质勘察出版的新的芬兰湾地质基岩图为这一初步可行性研究提供了更可靠的基础(1994年芬兰地质勘察)。 赫尔辛基一塔林社团组织要求，由各类专家组成的一研究小组，对此可行性研究进行仔细推敲。芬兰和波罗的海地区及欧盟(EU)对未来的新展望促使该研究小组义务进行研究。其研究成果于1994年在赫尔辛基出版，题目为；“赫尔辛基一塔林隧道，是乌托邦还是可选择方案”(赫尔辛基一塔林社团组织，1995年)。芬兰和爱沙尼亚的新闻媒体都对此持肯定意见。 国际隧协地下工程工作组在1993年的阿姆斯特丹大会和1995年的斯图加特大会上对此进行了讨论。赫尔辛基理工大学岩土实验室主持召开了两次以海底隧道为主题的研讨会，一次在赫尔辛基，时间是1995年；一次在塔林，时间是1996年，参加会议的还有爱沙尼亚和俄罗斯的隧道专家(DukarevkhSE1997年)。隧道专家认为此方案是可行的，而且在得到了海底现场调查结果之后即能确定出施工所需费用。 赫尔辛基一塔林铁路隧道社团组织于1997年成立，以此促进该方案的实施。1997年3月25日出台了一个更为详细的名为“通向中欧的捷径赫尔辛基一塔林铁路隧道”的初期项目规划(赫尔辛基一塔林社团组织，1997年)。此报告共50页，分为20个部分。在报告中，对隧道工程、交通和环境影响这些问题进行了讨论，并将此工程与英法海峡隧道和丹麦大海峡及厄勒海峡的新建联络线作了比较。 此建议是由普通民众提出来的，这是与其它大型技术工程的不同之处。目前，有关信息的通报及与官方的合作都显得比较谨慎。官方对此非常小心，甚至是非常谨慎。这个新的大型交通基础设施工程可能会影响其它正在准备中的大型工程。至今仍没有发布任何官方关于进行现场调查的决定。 赫尔辛基一塔林社团组织现在有一个新名称，叫作“欧洲铁路团体”，它还对芬兰和波罗的海沿岸国家附近铁路线的运输经济作了大量的调查。 同赫尔辛基和塔林之间的地质条件，博特尼湾下面也有类似的前寒武纪基岩。因此，有可能在瓦萨和于默奥之间建一条海底铁路隧道。这样就会形成一条环绕波罗的海的固定联络线(图1)。芬兰环线中未连接部分将有助于实现沿波罗的海周围建一快速铁路连线的需要。这将比简单的公路交通更能促进城市和国民经济的发展。 图1 环波罗的海的国际快递铁路线路概图 2.芬兰和波罗的海沿岸国家的交通需求 从可持续发展和保护环境这两个方面来看，铁路交通比公路交通更合适。由于欧盟对此持支持态度，因此决定发展铁路交通。从华沙(Warsaw)到赫尔辛基的交通通道是欧盟交通部1994年选定的主要通道之一。赫尔辛基一塔林隧道是此通道的一个重要部分且有助于欧盟向北部扩展，这对芬兰而言是很重要的。 在最近十年中，赫尔辛基与塔林之间的年客运量由30万增至500万以上。货运增长速度要慢一些，因为波罗的海地区的公路，特别是铁路网络不够完善，还不能与斯堪的纳维亚地区的线路相抗衡。初始估算表明：2007年赫尔基一塔林隧道的运输量将达600万人次，20万车次和200万吨货物。到2020年时达1500万人次，60万车次和1000万吨货物(赫尔辛基一塔林社团组织，1997年)。 3.赫尔辛基一塔林隧道的技术性方面 赫尔辛基与塔林之间有许多可选择的路线(AnttikoskiU1996年)。此处介绍了穿越芬兰的波卡拉(Porkkala)和前苏联的奈斯岛(Naissaar)的最短隧道路线。 1994年出版的芬兰湾基岩地质图表明坚硬的水晶基岩在海湾区继续向南延展，其平均深度为一100m(图2)。岩层表面凹陷，则有可能达到150一160m。在爱沙尼亚海岸，基岩深度为一120一150m。在奈斯岛有一个钻凿勘测现场，它表明基岩表面处于一114m处。有关爱沙尼亚一侧的主要花岗岩的质量和片麻岩类型的详细情况不清楚，但是假设它们适合于隧道施工。花岗岩基岩层上面覆盖有粘土岩层、砂岩层和石灰岩层，而这些岩层都是可开挖的。在芬兰一侧，基岩位于地表处，介于奈斯岛与帕尔加萨（Paljassaar）之间的海底部分深度为30m，最上面的土层大部分为粉砂和砂土。图2 赫尔辛基塔林隧道断面图 铁路长度为114km，其中从波卡拉到奈斯岛的隧道长度为54km(图3)。整个海底段为40km，至马萨拉(Masala)车站的地面铁路路段长15km，至赫尔辛基的老铁路线为29km。从奈斯岛到帕尔加萨的整个堤岸及桥聚部分段约为10km，到塔林中部为6km。由于此隧道不长，因此施工造价低，而且从原理上讲，是最安全的。从波卡拉到罗赫姆(Rohuneeme)的另一条可选隧道线将有10km长，即总长为64km。图3 赫尔辛基塔林隧道 该铁路线的坡度为1.5，这样在50多米深的海中至少要有50m的岩石覆盖层以承受20个大气压的静水压力(图2)。这条隧道位于贾维岛下，深度为80m，而且位于120m深的奈斯岛下面的一基岩层中。隧道在奈斯岛北百处最探，达一180m，这要取决于基岩表面。波卡拉入口部分为6km，奈斯岛人口部分为12km，然后有8km长路段处在软岩或软土(需要作进一步调查)中。 这条隧道由两条横断面为60m2的隧道组成，每隔500m便有一条横通道将其连在一起。施工用的进出隧道位于贾维岛和奈斯岛。 隧道开挖可采用传统的钻爆法，也可以采用全断面开挖法进行。最后以技术一经济性调查及风险分析调查为基础确定开挖方法。对这两种方法来说，探测和预注浆都是隧道工程中的主要部分。主要采用电机设备，完成钻孔、装碴和运输作业。而开挖出来的弃碴将用于建筑堤坝和作为爱沙尼亚侧的施工建筑材料，在曼沙泥亚侧岩石碎碴较少。渗漏水流人集水坑中(3个集水坑，每个约3000m2)，在备用泵出故障时也可利用集水坑。 最困难和费用最高的部分在奈斯岛下面，共有两个进出隧道，以l0坡度下降到一130m和一60m深处用以加快隧道工程的施工。在奈斯岛一侧，可在开挖期间通过抽水的方法降低水位而不会影响环境。于是仅需要对软岩或软土层进行注浆，冻结法则作为备用方法。在奈斯岛软岩处采用钢筋混凝土拱(厚度为0.40.6m)作隧道防水，但是根据芬兰方面所获经验，在硬岩隧道中不需要采用厚型支护。 将要开挖的隧道工程量约为700万m3，总长约为110km，这相当于赫尔辛基地下既有岩石隧道的总开挖量。 海底最大的危险就是涌水进入隧道中，这些水主要来自破裂带，这可能会导致施工长时间中断。通过提前在贾维至奈斯岛的海底部分开挖较小导洞(220m2)也许能够避免这个问题。导洞可以在整个铁路隧道最终合同签订之前开挖，这样就可使有关主隧道的风险大大变小。其费用约为10亿芬兰马克(FIM)，进出隧道的施工工期为34年。导洞位于铁路隧道的拱部，占总施工费用的一部分。 在奈斯岛和帕尔加萨之间必须修建25km长的大桥跨过轮船航道(净高20m)，此桥建在改良过的砂层上，铺有通行火车的双孰和通行汽车的双车道。该桥梁可仿照丹麦大海峡西桥(混凝土梁大桥，自由空间为100m)或瓦萨附近的瑞坡罗托大桥(斜拉索桥，自由空间为300m)修建。 奈斯岛和帕尔加萨处的堤岸按1的坡度上升至大桥，直到+25m标高处为止。堤岸总宽度为20m，有可能建一座35km长的大桥而不是最高的堤岸，因为这两种方案的费用差不多。 从供给系统看，赫尔辛基与塔林之间的最短连线在技术上不是最方便的，因为这需要通过塔林西部(住宅区)将铁路线与塔林一帕努(Parnu)一端加(Riga)线连在一起。因此考虑在靠近塔林的那萨那姆(Lasnamae)东部郊区建一新的大型火车站以改变现在一半的交通设施集中于塔林中部，附属主车站靠近老城的状况，这的确不适宜于将来的发展。因此，铁路线可以从维米斯半岛(Viimsi)处的隧道延展出去，穿过那萨那姆处的新车站并继续朝西南方向延伸，最后与同一条的塔林一帕努一瑞加铁路线相连。因此，需要进行额外的规划工作并进行现场调查。 4.赫尔辛基一塔林隧道的修建费用 根据完工的长隧道推断出单价后计算其施工费用。芬兰硬岩中的海底隧道施工单价为500F1M/m3和6000万FIMkm。在爱沙尼亚软岩中隧道施工单价是1800FIMm3和22 000万FIMkm。内部设施成本为200FIMm3和2400万FIMkm，这些费用包括结构、电器和通风等等。 桥的费用估算为3亿FIMkm，是瑞坡罗托公路桥的两倍。宽度相同的丹麦大海峡桥造价为3.5亿FIMkm。若隧道弃碴用于堤岸修筑，堤岸的造价为50FIMm3。海堤成本为300030000万FIMkm，这取决于堤岸高度。 地面铁路基础费用(双轨)在大陆部分为2000万FIMkm。大陆段的施工费用为2000万FlMkm。 修建费用约为79亿FIM(表1)。此费用包括从大陆至奈斯岛总计5亿FIM的公路费用。从帕尔加萨至塔林和从马萨那至赫尔辛基的铁路开通费用没有包括在内。当把施工期间业主的10成本费用和15的利息加进去时，其总施工费用为98亿FIM(163亿欧元)。表1 赫尔辛基塔林隧道施工费用（1 EUR=6FIM) 采用钻爆法以一个工作面开挖隧道，其周进尺为60m，一年掘进3km。修建贾维一奈斯岛隧道(40km)花费时间最长，约7年。如采用全断面掘进，速度要快一些，为45年（5km/年）。内部设施作业需要12年时间。规划和现场调查至少需12年时间，这意味着从决定工程修建时算起，在69年内隧道可建成使用。 施工费用和运营费用可通过隧道收费收回。最初几年主要的隧道收费标准：每个乘客30FIM，每辆载人客车(包括乘客)250FIM，货车每吨50FIM。将上述费用加在一起，隧道每年将收取513亿FIM。每年的运营和财务费用为37亿FIM(赫尔辛基一塔林公司，1997年)。 当时机成熟可以决定修建隧道时，根据法律，该杜团组织(“欧洲铁路”)将变成所谓的公共团体，它将在芬兰和爱沙尼亚官方的监督下修建、维修隧道。政府可作为贷款担保人，还贷时间约为25年。 对芬兰经济而言，修建铁路意味着在失业津贴方面节约75亿FIM，而且还有税收收入和购买力强的优点。这对失业率呈上升趋势的爱沙尼亚来说也是一个主要因素。这条隧道将从许多方面促进经济发展。 例如在波卡拉，还可在靠近新铁路线和隧道入口处建新的住宅区。这将在经济上为赫尔辛基都市区的城市规划提供非常有价值的资源。 5.瓦萨一于默奥隧道的技术性 介于瓦萨和于默奥之间的波罗的海湾基岩为坚硬的前寒武纪花岗岩或片麻岩。它没有明显的软弱带，海床位于一10一30m处，上覆土层为冰碛层。此基岩层适于修建隧道。 芬兰公路局委托的对瓦那萨瑞特(Valassaaret)与霍姆戛稗(Holmogadd)之间的交通隧道的可行性研究于1973年完成，最后决定放弃此工程。 在瓦萨和于默奥之间尽可能在地面上修建一条铁路(图4)是值得的。穿过瑞坡罗托小岛群，能轻松地在堤岸上修建铁路，一直通到瓦那萨瑞特。这条瓦萨一瓦那萨瑞特铁路线长48km。图4 介于瓦萨和于默奥之间的隧道线路比较方案 从瓦那萨瑞特到霍姆桑得(Holmsund)，铁路线为一直线，隧道的安全基础标高为一100m。从霍姆桑得，则利用既有铁路线，直至于默奥，共14km。直线部分总长度为110km。另外，作为比选方案隧道可建在瓦那萨瑞特与霍姆戛德之间，长度为25km，基础标高为一70m。其开挖、设备安装与赫尔辛基一塔林隧道一样，但是条件要容易一些。 隧道开挖量为300500万m3，这取决于隧道长度。从瓦萨至于默奥的施工总费用为60亿FIM(10亿EUR)，采用与赫尔辛基一塔林隧道一样的单价，则两种比选线路中隧道的施工费用为2040亿FIM。 瑞典决定重建至于默奥的铁路网，因此到2005年快速列车就通至于默奥。但未计划让快速列车。接下来的交通调查将对未来隧道的可行性做出估计。 6.波罗的海环线的经济性 这两条跨越芬兰边界的隧道施工费用为140亿FIM。这样就可以在波罗的海周围建一条固定的快速铁路线。 芬兰、爱沙尼亚、拉脱维亚和立陶宛的铁路轨距比波兰、德国和斯堪的纳维亚地区的国际标准89mm。在波罗的海国家铁路网必须重建，以使列车速度较快(200kmh)。因此决定很快修建一条从波兰至考纳斯的国际铁路线。这样从芬兰的新铁路只需修至考纳斯。 芬兰和波罗的海国家新建铁路的施工造价(双轨)为20003000万FIMkm。 于默奥与考纳斯之间的波罗的海环线国际快速铁路线施工造价为460亿FIM(77亿EUR)。海底隧道部分费用约占总费用的40，其长度为1150km。波罗的海环线总长38004000）（表2）。从于默奥至柏林为l900km，穿过塔林或穿过斯得哥尔摩的线路长度几乎一样（图1）。表2 于默奥与考纳斯之间铁路网施工造价（1EPU=6FIM) 欧洲交通政策有利于铁路交通的发展，并将使整个欧洲的铁路网相互协调起来。因此，预计在随后的几十年中客运量和货运量都将增加。这样快速铁路网就环绕了整个波罗的海地区。 7.对铁路交通的影响 芬兰湾和博特尼海湾下面的新隧道将使芬兰的铁路网形成向西和向南发展的格局。如果新的铁路线在既有铁路线外面穿过，那么就有可能建速度为300kmh的新线，而旧线仍保持原有速度，即在200kmh以下。 新的铁路网络是根据欧洲标准修建的，使芬兰和波罗的海沿岸国家可与欧洲连接在一起。 从考纳斯到于默奥的这一新的“垂直”交通通道将改善芬兰和波罗的海沿岸国家的经济状况，因为它使得通向中欧、特别是中欧东部的距离缩短了。瑞典、挪威和俄罗斯也因此拥有一条穿越芬兰的新的东西向交通通道。 有关姊妹城赫尔辛基一塔林和瓦萨一于默奥间的隧道构想也可能有较好的前景。通过快速铁路网络改善了从圣彼得堡或斯堪的纳维亚中部(例如特隆赫姆)至中欧的连接状况。 货物运输从公路转向铁路，节省了能源，也有利于环境保护。 利用既有的港口和铁路轮渡，在隧道施工开始之前就可能立即开始铁路运输工作。与港口相连的旧铁路是现成的。 8.合作与技术研究项目 赫尔辛基一塔林社团组织已开始着手这两个城市通过隧道进行