武漢地區城市地下物流系統可行性研究中幾個問題初探與趨勢展望

屈川翔， 熊志為， 馮 鑫， 馬保松

(中國地質大學(武漢)工程學院， 湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來，交通擁堵、交通安全隱患、環境污染等問題日益突出，為改善城市物流系統與城市環境的融合度，解決城市交通問題，對現有的城市物流系統進行創新,發展地下物流系統(ULS，underground logistics system)是追求智能生活與環境友好型社會的必經之路。

大量學者對ULS的可行性和技術進行研究。在技術研究方面上主要以PCP(pneumatic capsule pipeline)和Cargocap的研究為主。PCP研究主要以美國H. Liu為代表，主要集中在介紹PCP概念、動力系統以及實證研究3方面[1]； Cargocap以德國的Stein為代表。此外，還有荷蘭的AGV(automated guided vehicle)研究、日本的DMT(dual mode truck)研究和英國的Mole Urban System等。在可行性研究方面上，專家們主要針對城市地區的運載工具、布局、經濟性和應用的領域等進行可行性分析和構思，文獻[2]提出在中國實施城市地下物流的設想，并從交通、經濟、環境生態和城市可持續發展等角度論證中國對地下物流系統的巨大需求； 文獻[3-4]指出中國特大城市嚴峻的交通狀況，分析北京發展地下物流的必要性，提出地下物流應用的領域，認為交通壓力、城市嚴峻的空間資源、能源和環境容量約束是發展地下集裝箱運輸的動因和研究趨勢； 文獻[5]從運載工具、通道截面設計和挖掘技術等角度研究了東京地下配送系統的可行性； 文獻[6-8]研究了美國、比利時、澳大利亞等國家的部分地區港口及海灣采用地下集裝箱運輸的可能性。綜上，無論是從技術性還是可行性研究方面，針對ULS多從單一角度進行研究，從多角度出發進行的研究不足。

針對目前研究工作的不足，本文聚焦于武漢地區，突破前有研究的單一性，充分考慮各方面影響因素的相關性，從城市地下物流系統最新理念出發，通過分析城市交通與貨運問題的矛盾所在，進行投資成本分析，提出適合武漢地區的融資方案和地下物流系統配送中心布置方法； 依托武漢地區擬開展的地下物流系統規劃和設計項目，提出其地下物流管徑及施工選擇方法，并對武漢地區地下物流系統可行性研究中的幾個問題進行探討和趨勢展望。

1 城市地下物流系統理念

地下物流系統是指運用自動導向車和兩用卡車等承載工具，通過大直徑地下管道、隧道等運輸通路，對固體貨物實行運輸及分揀配送的一種全新概念物流系統[9]。

擬建的城市地下物流系統的網絡體系，將客戶、互聯網零售企業、配送中心等多方通過互聯網連接在一起，實現客戶網上下單，貨物經城市物流中心分揀，最后通過智能化的地下管道物流配送系統進行“一對一”高效配送。

當城市物流系統發展到高度智能化時，便能夠實現城市地下物流系統的“自來水”式便捷功能，使每個城市居民通過網絡購物，足不出戶便可收到自己所購的貨物，享受高效、智能、環境友好的物流新體驗。

2 城市貨運問題

近年來，武漢地區政府及交通管理部門高度重視城市交通改善和管理工作,意識到只有采取科學的管理方法，才能有效解決武漢市區的交通問題。武漢境內“兩江交匯、三鎮鼎立、山水相間、江湖密布”，由于這樣獨特的地理特點，也較大程度地增加了交通管理的難度。加之近年來武漢地區城市用地日益緊張，機動車保有數量一直高位增長, 公路運輸的貨運量[10]在各類運輸方式的占比日益提高(見圖1)，使武漢地區交通擁堵問題日益嚴重。另一方面，武漢地區的快遞行業、企業到企業(B2B)的貨物運輸、國際貿易物流等迅猛發展，在城市交通運輸中的占比逐漸加大。

圖1 2011—2016年武漢地區各類運輸方式貨運量變化

Fig. 1 Variation of freight volumes of various modes of transport in Wuhan area from 2011 to 2016

本文選取了武漢地區2014—2017年共4年間的貨運量(Y)、 GDP(X1)、第一產業產值(X2)、第二產業產值(X3)、第三產業產值(X4)、進出口總額(X5)、居民消費水平(X6)以及社會消費品零售總額(X7)等相關經濟變量數據[10-13]進行物流總需求分析，如表1所示。

利用Eviews軟件建立了物流需求的多元線性回歸模型，即Y=32 541.15+14.122 56X1+0.121 181X5-4.267 2X6。其中，GDP對貨運量的正向影響最大，進出口總額對貨運量有較輕微的正向影響，居民消費水平對貨運量有較大的負向影響。2016年進出口總額比上年下降10.2%，進出口總額指標較大程度的下降，影響了進出口總額指標對物流的需求的正向影響，從經濟學角度分析，進出口貿易總額的增加，對物流需求的正向影響應該是較大的。因此，武漢地區物流行業的整體規劃和建設需要結合物流需求特點，提升年均生產總值，并提升進出口總額，以削弱由居民消費水平提升對物流需求造成的負向影響，從而帶動武漢市物流需求的增長，促進武漢市物流行業的正向發展[14]。加之，在武漢城市經濟轉型的背景下，第三產業的大力發展離不開高效物流系統的支撐，高效的物流系統勢必成為第三產業在武漢地區經濟中增長的“快速通道”。與地下物流系統運輸的特性相似，由于快遞運輸的“高效便捷”，使得其在公路、鐵路、水路和航空等各類運輸方式中突出發展，武漢地區近幾年的快遞業務統計量[10-13,15]如圖2所示。

表1 武漢地區經濟變量統計數據

圖2 2013—2017年武漢地區快遞業務量增長圖

Fig. 2 Growth of delivery volume in Wuhan area from 2013 to 2017

此外，目前的物流企業環境友好意識淡薄，運營站點布局不夠合理，管理方式不夠精細，使得配送和運輸效率不高，增加了能耗和排放，且廢氣、噪音、交通安全隱患的問題同樣不可忽視。為改善城市生態環境，城市物流形成的與城市環境不友好、高能耗、低效率、交通安全隱患突出等問題亟需解決。

根據國內外研究估計，并結合武漢地區軌道交通客流占比35%左右的情況，采用專家預測法，通過ULS與地面物流系統的連接，在武漢地區修建地下物流系統將承擔整個武漢地區40%左右的貨運量[16]。

3 投資成本分析

3.1 車輛參數及覆蓋率分析

通過分析美國與德國的地下物流載重情況，計算得到運輸車輛單位體積載重為400～800 kg/m3，且車輛體積越大，單位體積載重越小。結合美國和德國的設計參數、城市物流貨物尺寸以及貨車參數[17]，確定不同管徑與車輛的對應情況，如表2所示。

表2 不同管徑對應的車輛參數

3.2 不同直徑管道鋪設成本分析

目前，美國的城市地下物流系統有Container Size、Crate Size和Pallet Size 3種類型，分別對應集裝箱、板條箱、托盤的運輸。參考美國3種不同直徑的管道建設造價[18]，對不同直徑管道的鋪設成本進行分析，如表3所示。

表3美國地下物流管道鋪設造價

Table 3 Construction cost of underground logistics pipeline in America

類型內徑/mm造價/(美元/m)集裝箱6 70025 177板條箱4 57016 213托盤 3 35011 634

不同直徑鋼筋混凝土頂管成本[19]如表4所示。

表4不同管徑鋼筋混凝土頂管工程綜合造價

Table 4 Comprehensive cost of reinforced concrete pipe jacking project with different pipe diameters

頂管尺寸/(mm×mm×mm)頂管材料單價/(元/m)工程綜合造價/(元/m)?2 000×200×2 5003 5737 926?2 200×220×2 5003 9468 801?2 400×240×2 5005 53310 969?2 700×250×2 5007 71315 107?3 000×300×2 50014 11523 494?3 200×300×2 50019 20529 668

綜合分析相關工程案例及2008年版《湖北省市政工程消耗量定額及統一基價表》，確定不同直徑管道鋪設成本，如表5所示。

表5 不同管徑管道鋪設成本

3.3 不同管徑貨物覆蓋率與成本對應分析

貨物覆蓋率是指車輛尺寸大于貨物尺寸時的覆蓋占比。為了優選出既適合城市貨物運輸又經濟的管道直徑，結合GB/T 16471—2008《運輸包裝件尺寸與質量界限》[20]，對不同內徑管道的貨物覆蓋率與成本進行對應分析，結果如圖3所示。

由圖3可知： 對于單線管道設計而言，管道內徑為2 800～3 500 mm時經濟性較好。管道內徑為2 800 mm時，貨物覆蓋率可達90%，可基本滿足城市貨運要求，且建設成本較低，為最優選擇。

4 融資方案的可行性分析

從經濟學角度分析，城市地下物流系統被定義為準公共產品，即城市地下物流系統具有準公共產品的基本特征。

據國內外研究和新福利經濟學表明，城市地下物流系統能夠提高經濟效率，從而帶來城市的社會經濟福利,其社會效益給人們提升的幸福指數是經濟效應在收益上無法衡量的。從城市長遠發展角度來講，城市地下物流系統也展現出巨大的經濟增值潛能。

圖3 貨物覆蓋率與成本對應分析圖

隨著全球化、電子商務、人民需求的多元化等的發展，物流行業收入穩步增長，前景十分樂觀。近年來，武漢地區物流行業發展總體向好，據武漢市統計局統計： 2017年武漢市社會物流總額為33 225.32億元，比上年增長10.5%； 2017年武漢市社會物流總費用為1 891.73億元，比上年增長12.3%； 2017年武漢市物流業增加值為1 208.96億元，比上年增長9.7%(按不變價計算增長9.1%)； 2017年武漢市物流業增加值占GDP的比率為9.02%，比上年下降0.24%[10]。武漢市社會物流業廣闊的發展前景成為投資者投資的強力保障。

武漢地鐵多條線路都已采用融資租賃模式進行融資，該模式成為武漢地鐵資金融合過程中不可或缺的一部分。與地鐵特性類似，地下物流系統作為準公共產品，也需要投入運載工具、軌道和各類運營系統等固定資產，這些固定資產的一次性費用十分高昂，可以通過租賃的方式實現融資，這樣的融資方式出資速率快，融資渠道便捷，限制條件較少，具有明顯的融資優點[21]。融資租賃模式在我國地鐵建設中已得到廣泛應用，對于地下管道物流系統的建設具有指導意義。

武漢市融資多元化的發展和大型工程的推進，會為武漢市市政基礎建設建立更加可靠的融資基礎。針對實際條件，優化融資方式，是開展城市地下物流系統建設的關鍵之一。

5 地下物流系統配送中心布置

5.1 SLP方法簡介

SLP方法是由Richard Muther提出的設施布置的經典方法[22]。運用SLP法進行地下物流系統配送中心的平面布置時，首先要分析各系統之間的關聯性，綜合各系統之間的關系得到關系矩陣； 然后按照關系矩陣中各系統的關聯程度，設置各系統之間的位置及距離，編繪出對應的位置關系圖，并將各系統所需數量、占地面積與位置關系圖結合起來，形成系統單位面積關聯圖； 接著根據系統布設時的實際情況進行修正和調整，得到平面布置方案； 最后綜合考慮平面布置方案的可行性、難易度以及經濟性等因素對所得到的平面布置方案進行選擇，得到最優的方案。

5.2 武漢地區地下物流系統配送中心功能設置

城市地下物流系統的配送中心主要具有對貨物進行接收、儲存、處理、配送等功能。根據SLP法，應對配送中心的各系統的關聯性進行分析，突出其與傳統地面物流系統的配送中心相比所具有的自動化、智能化、高效率等特點[23]。據此，將黃歐龍等[23]所做的配送中心功能圖進行改進，如圖4所示。

圖4 配送中心功能設置

5.3 內在分析

按照SLP方法，可以將各系統單位之間的密切程度分為關聯十分緊密(A)、關聯比較緊密(E)、關聯緊密(I)、關聯一般(O)和無關聯(U)5類。據此按照各單位之間的關聯程度，對配送中心進行初步配置，結果如表6所示。

由表6可以得出： 部門1是配送中心中與所有部門聯系都較為緊密的部門，具有5個E關系，但由于部門1為控制管理部門，因而在布置時較為靈活，可放在最后考慮； 部門2具有3個A關系、1個E關系，應首先對其進行布置； 最后考慮與部門2關聯緊密的4、5、6部門，部門3的關聯程度最弱，所以應結合部門1進行考慮，因此，總的布置順序可設置為2—4—5—6—3—1。

再按照配送中心一般的平面布置情況，各部門的面積應具有相對應的比例關系。若將部門3作為單位面積，各部門的相應單位面積如表7所示。

表6配送中心各系統的關聯程度

Table 6 Relational degree among each system of distribution center

項目1—控制管理處2—倉庫3—廢品處理處4—揀貨標記處5—自動導向車裝卸處6—卡車裝卸處1—控制管理處EEEEE2—倉庫EOAAA3—廢品處理處EOIUU4—揀貨標記處EAIII5—自動導向車裝卸處EAUIU6—卡車裝卸處EAUIU

表7 各部門面積關系

注： 1—控制管理處； 2—倉庫； 3—廢品處理處； 4—揀貨標記處； 5—自動導向車裝卸處； 6—卡車裝卸處。下同。

根據上述各部門的面積關系和布置順序，可以得出平面布置方案，如圖5所示。

31244656512156454121

圖5平面布置方案

Fig. 5 Plan layout scheme

再根據建設過程的空間和物流工藝的要求，結合相應的工程背景，以武昌區為例得出總平布局圖[24]，如圖6所示。

圖6 武昌區總平布局圖

在總平布局中，將物流中心、配送中心、目的地和倉庫通過網絡結構連接起來。物流中心建在武昌火車站和武漢宏基客運站之間，便于貨物的運輸和接收； 配送中心選址在光谷商圈和街道口商圈，便于接送貨物； 目的地選擇在人口密度較大的地方，倉庫建造在成本較低的地區，從而使地下物流系統高效協調運轉，便于調整物流量，方便擴展延伸。

此外，可根據武昌區地下物流總平布局圖示，計算圖示范圍內的物流中心占地面積A，即A=46 850+20 079(N-1)[17],N表示配送中心和倉庫數量。計算圖示范圍內的物流中心占地面積約為87 008 m2，所以可仿照目前地下車庫的建造形式，將物流中心在地下建造2～3層，方便貨物接收和運輸。根據上述分析也可對配送中心和倉庫的占地面積進行估算，配送中心的占地面積約為58 005 m2，倉庫的占地面積約為29 003 m2，同樣仿照地下車庫的建造形式，在地下建造2～3層。

6 地下物流系統管徑及施工方法選擇

6.1 管徑范圍

針對武漢地區地下管道管徑的設計，目前多參照德國、美國兩國的地下物流系統管道管徑參數。由于目前武漢地區地上道路貨物運輸的類型一般為日常生活用品、電子產品、書籍、衣物、農副產品及生活垃圾等，生活中常見的大尺寸貨物主要為家具、家電等，其中沙發、床的長度尺寸較大，一般超過了2 m。而德國Cargocap系統的管徑約為2 m，所以不適合大尺寸的貨物運輸，且目前國內對地下物流系統管道管徑參數沒有制定統一的標準，所以武漢地區主要參考GB/T 16471—2008《運輸包裝件尺寸與質量界限》和美國地下物流系統的貨運參數[17]進行地下物流管徑設計，如表8所示。

考慮到地下物流系統在運輸中應該具有高效、經濟、快速等特點，由于集裝箱型的地下載運工具可容納的貨物尺寸大、總載荷量大、裝卸時間短，所以更適合城市貨物的運輸。因此，對于武漢地區地下物流系統而言，應選擇集裝箱型的地下物流載運工具。

根據上述分析，考慮到一些管道、站臺的布置以及經濟性等因素的影響，并依據GB/T 16471—2008《運輸包裝件尺寸與質量界限》中對集裝箱尺寸的要求，得出集裝箱最小內部尺寸和箱門開口尺寸，如表9所示。雙線管道與單線管道相比具有施工性好和冗余性等優點，所以擬對武漢地區地下物流系統采取雙線管道設計。對于雙線管道，管道內徑為5.6～7.0 m時經濟性最好。因此設計的管道內徑約為6.7 m，管道外徑約為7.62 m，其效果圖如圖7所示[25]。

6.2 施工方法選擇及管道布置

6.2.1 武漢地區地質條件

6.2.1.1 工程地質條件

武漢地區地表上覆大量的第四系沉積層，達80%以上。因此，武漢地區的工程地質特征主要表現為第四系地層的工程地質特征[26]。

武漢地區第四系地層從老到新有下更新統半邊山組、中更新統王家灣組、上更新統鳳凰山組與青山組以及全新統走馬嶺組。由于這些地層形成的年代、成因、分布范圍不同，所以使得武漢地區具有不同的地形地貌、地層巖性以及工程地質特征[27]。

表8 美國地下物流載運工具

表9集裝箱最小內部尺寸和箱門開口尺寸

Table 9 Minimum internal size of container and opening size of box door

mm

圖7 武漢地區標準集裝箱的雙軌制管道示意圖(單位： m)

Fig. 7 Sketch of dual-track pipeline of standard container in Wuhan area (unit： m)

武漢地區第四系地層的粉細沙、粉土、粉質黏土、淤泥質土、淤泥主要分布在全新統地層中，這些土體的壓縮系數、黏聚力、內摩擦角以及容許承載力等力學特征指標數值變化范圍較大，對施工的影響較大，且在全新統地層中下部土體易產生砂土液化現象，影響地基穩定，但上部黏性土承載力較高，可做天然地基； 在上更新統中主要分布有砂礫石、中細砂、淤泥質土和黏土，對于砂礫石層來說其承載力高、壓縮性小，可作為良好的樁基持力層； 在中更新統中代表性土體為黏土，其承載力高，可作為良好的隔水層[28]。

6.2.1.2 水文地質條件

武漢市位于長江與漢江的交匯處，水源豐富。且由于武漢地區地勢低洼，地表水豐富，所以地下水的補源較為充足。同時地下水類型多，水量豐富，且含水層較厚。

對于不同的地貌單元，地下水的特點也不同。可按照武漢地區地下水的賦存條件，將其分為上層滯水、孔隙承壓水、潛水和基巖裂隙水[29]。

Ⅰ級階地處的地下水類型主要為孔隙承壓水和上層滯水，位于Ⅱ、Ⅲ級階地的水文條件并不復雜[30]。全新統中的孔隙潛水、孔隙承壓水埋深較淺，孔隙潛水的含水層厚度為3.5～6 m； 上更新統中孔隙承壓水位于Ⅱ級階地，含水層厚度為1.6～33.2 m。

由于武漢地區地表水、地下水資源豐富的原因，帶來了巖溶地面塌陷的問題。在賦存下伏裂隙巖溶水、地勢低洼的臨江Ⅰ級階地容易發生此類問題。

6.2.2 施工工藝

軟土往往形成軟弱地基，在施工中應加以注意。而武漢地區的沿江一帶、長江Ⅰ級階地、長江河道河床區及湖泊周邊地段軟土分布集中，軟土埋深一般為2～10 m,厚度一般為3～7 m,局部地段厚度超過16 m,小者厚度為0.5 m[31]，差異性較大。而當軟土厚度<3 m時，軟土區對地下空間開發影響輕微； 當軟土厚度為3～6 m時，軟土區對地下空間開發影響一般； 當軟土厚度為6～9 m時，軟土區對地下空間開發影響較嚴重； 當軟土厚度>9 m時，軟土區對地下空間開發影響嚴重[32]。

由上述分析可知，漢口和武昌地區的地質條件對地下管道的開挖有著不同程度的影響。盾構法在深堆積中等軟弱的不透水地層中最為適用。所以擬對武漢地區過江管道采用盾構法進行開挖，且開挖深度應在地鐵埋深以下。而漢口、武昌地區管道則采取頂管法的方式進行施工，開挖深度也應在地鐵埋深以下。武昌、漢口跨江地下物流管道布置如圖8所示，圖中紅色段采用頂管法施工，紫色段采用盾構法施工。

圖8 武漢地區武昌、漢口跨江地下物流管道布置圖

Fig. 8 Layout of river-crossing underground logistics pipelines in Wuchang District and Hankou District

以武昌的洪山區為例，洪山區的地貌以平原為主，山水環繞，東湖位于其內。洪山區內有以武漢大學、華中科技大學為代表的眾多高校，也有以光谷廣場、街道口、洪山廣場為代表的商圈，對物流量需求大。

頂管法作為非開挖技術的一種，對于修建穿過已建成的建筑物、交通線下面的涵管以及河流、湖泊的工程特別適用。由于其不需要明挖土方，對周圍環境影響較小，同時也具有施工簡單、造價低、工期短、適合在很深的地下鋪設管道等特點[33]，所以對于洪山區建設城市地下物流管道而言，頂管法是首選的方法。洪山區地下物流管道布置如圖9中紅線所示。

Fig. 9 Layout of underground logistics pipelines in Hongshan District

再以漢口的江漢區為例，江漢區相當于漢口的中心，地理位置優越，經濟發達。漢口火車站、江漢路、中山公園、武漢國際會展中心等均位于此，人流量大，物流需求量也大，所以在施工中也應采取頂管法。江漢區地下物流管道布置如圖10中紅線所示。

圖10 江漢區地下物流管道布置

Fig. 10 Layout of underground logistics pipelines in Jianhan District

7 結論與討論

城市地下物流系統作為一種符合可持續發展理念的系統工程，無論對其研究還是建設都是十分有意義的。本文從武漢地區在建設地下物流系統中將會面臨的經濟問題、融資方法選擇、站點布置、載運工具以及施工方法選擇等方面出發，進行了較為全面的分析，得到以下結論：

1)在武漢地區修建地下物流系統將承擔整個武漢地區40%左右的貨運量，且 GDP對貨運量的正向影響最大，居民消費水平對貨運量有較大的負面影響。因此，提高GDP和居民收入才能保證地下物流系統的順利建設。

2)對于地下物流系統單線管道設計而言，管道內徑為2 800～3 500 mm時經濟性較好，管道內徑為2 800 mm時，貨物覆蓋率達90%，可基本滿足城市貨運要求，且建設成本較低，為最優選擇。

3)地下物流系統作為準公共產品，與地鐵性質類似，由于地鐵的融資租賃模式出資速率快、融資渠道便捷、限制條件較少，具有明顯的融資優點，在融資方案上可作為參考。

4)在站點布置上，應將物流中心、配送中心、目的地和倉庫等通過網絡結構連接起來，形成一個有機的整體，從而使地下物流系統高效協調運轉。

5)對于武漢地區地下物流系統，應選擇可容納貨物尺寸大、總載荷量大、裝卸時間短的集裝箱型地下物流載運工具來完成城市貨物的運輸。在施工方法上應選擇盾構法、頂管法等非開挖技術來減少對周圍環境的影響，降低成本，縮短工期。

雖然我國對于城市地下物流系統的建設仍處于研究階段，相關的法律法規還沒有完善，但筆者認為，隨著我國社會主義現代化進程的不斷推進和科學技術的不斷進步，發展地下物流系統將是未來智能城市建設的必然選擇。它能夠提高城市的吸引力，增加城市的GDP和就業崗位，提高人們生活的幸福感，使人們享受到足不出戶便可接送物件的便捷性； 節約地面空間、改善地面衛生環境和交通問題，帶給人們環保、舒適的生活環境； 與各個部門建立聯系，如與地下垃圾處理站連接進行垃圾處理，與城市地下綜合體連接運輸和接收貨物，使人們生活更加高效、快捷。但對于城市地下物流系統而言，將其進行實際運用并與未來智能化城市建設相融合，仍需要大量的研究與試驗。此外，如何利用衛星實時監測地下物流系統中的貨物位置，如何提高地下物流系統在港口或機場中的吞吐量，如何將真空管道運輸和磁懸浮技術應用到地下物流管道系統中以提高運輸速度和降低能源成本等問題，都是未來所需要解決的，也是發展趨勢所在。