通蘇嘉甬鐵路嘉興至寧波段跨杭州灣橋隧方案研究

周宇正 林海波

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 研究背景

1.1 通蘇嘉甬鐵路概況

長(zhǎng)三角區(qū)域地理位置優(yōu)越，已經(jīng)形成高速鐵路、城際鐵路、快速及普速鐵路縱橫交織的鐵路網(wǎng)。2017年，區(qū)域鐵路里程5 813 km，占全國(guó)4.7%，鐵路網(wǎng)密度2.7 km/100 km2。該區(qū)域既有鐵路網(wǎng)雖密集，但存在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一、主要干線承擔(dān)運(yùn)量較大、個(gè)別區(qū)段能力飽和等情況。

近年來(lái)，隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，長(zhǎng)三角城市群區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。但南通市向南的鐵路較少，制約著該區(qū)域的交通發(fā)展。為了解決該問題，通蘇嘉甬鐵路的建設(shè)被提上了日程。通蘇嘉甬鐵路位于江蘇省及浙江省境內(nèi)，途經(jīng)南通、蘇州、嘉興及寧波等城市，是中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)“八縱八橫”高速鐵路主通道中沿海通道的重要組成部分和長(zhǎng)三角地區(qū)城際鐵路的骨干線路，同時(shí)承擔(dān)通道內(nèi)的長(zhǎng)途客流和長(zhǎng)三角區(qū)域城際客流。

杭州灣是該線路中的一個(gè)重要地區(qū)節(jié)點(diǎn)。為了解決線路跨越杭州灣的問題，在考慮橋隧各個(gè)方案影響因素的基礎(chǔ)上，綜合工程、地質(zhì)、規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)條件，對(duì)橋梁和隧道方案進(jìn)行比選。

1.2 越江(跨海)工程的橋隧方案比較研究成果

在國(guó)內(nèi)，已有許多學(xué)者對(duì)跨海工程進(jìn)行了相關(guān)研究。宋克志運(yùn)用層次分析法建立了渤海海峽跨海通道比較評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，通過專家打分法和隸屬度函數(shù)取得各定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的隸屬度，最后獲得全橋梁、全隧道及橋隧組合方案的模糊綜合評(píng)價(jià)值[1]。羅水蘭，王恩茂等探討了跨海通道項(xiàng)目綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型，并以廈門東通道跨海項(xiàng)目為例，對(duì)橋梁與隧道方案進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。林志良綜合橋梁與隧道各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)泉州灣跨海通道橋隧組合方案的構(gòu)思、設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述[3]。劉云斌以舟山市沈家門至魯家峙跨海通道工程為例，對(duì)橋梁和隧道方案的不同特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究[4]。林立彬在充分借鑒國(guó)內(nèi)外跨河(海)通道工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合營(yíng)口市遼河跨河通道工程的建設(shè)條件，對(duì)橋梁方案和水下隧道方案進(jìn)行了綜合比選[5]。

2 通蘇嘉甬鐵路總體走向方案

通蘇嘉甬鐵路大致呈南北走向，地跨蘇浙兩省，區(qū)域內(nèi)主要有南通市、蘇州市、嘉興市、寧波市、紹興市5個(gè)地級(jí)城市，以及張家港市，常熟市，昆山市，吳江區(qū)，嘉善縣，桐鄉(xiāng)市，平湖市，海鹽市，海寧市，上虞區(qū)，余姚市，杭州灣新區(qū)，杭州蕭山區(qū)13個(gè)縣、市、區(qū)。結(jié)合經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)分布、路網(wǎng)布局、杭州灣橋位等因素，分別研究了東線方案、中線方案以及西線方案(見圖1)。

圖1 通蘇嘉甬鐵路總體走向方案示意

東線方案所經(jīng)經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)較少，西線方案線路過于繞行，工程投資大，而中線方案經(jīng)過蘇州市和嘉興市主城區(qū)，線路順直，投資適中。因此，本線總體走向推薦中線方案[6]。

中線方案線路自張家港站引出，經(jīng)常熟西、蘇州北、汾湖、嘉興東后，并行杭州灣跨海大橋跨越杭州灣，經(jīng)慈溪至莊橋站，正線長(zhǎng)288.299 km。

3 橋位方案比選

該段線路方案受嘉興地區(qū)與寧波樞紐引入方案、杭州灣橋位、環(huán)境敏感區(qū)，以及沿線海鹽、慈溪、余姚等經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)因素影響。另外，已建成的秦山核電站與規(guī)劃秦山核電站長(zhǎng)山廠址外5 km范圍為禁建區(qū)，海鹽港區(qū)和錨地也對(duì)走向方案影響較大。

3.1 橋位選擇

橋位選擇和通航孔設(shè)置應(yīng)滿足《通航海輪航道橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ311—97)規(guī)定[7]。擬建橋位區(qū)具海域?qū)掗煛毒€復(fù)雜、港口碼頭密布、錨地分布廣、潮流復(fù)雜、水下地形起伏較大、航道變化大等特點(diǎn)，兩岸分布有南北湖風(fēng)景名勝區(qū)、秦山核電站、杭州灣國(guó)家濕地公園、杭州灣新城等，控制因素較多。結(jié)合以上控制因素，擬定了并嘉紹大橋橋位、黃灣橋位、海鹽西橋位、海鹽東橋位、并杭州灣跨海大橋橋位、澉浦橋位等6個(gè)橋位方案(見圖2)。

圖2 杭州灣橋位布置示意

(1)橋位一(并行嘉紹大橋橋位)

位于錢塘江尖山河段，既有嘉紹大橋上游約50 m，橋位軸線平行于嘉紹大橋?？缭胶Ｓ蚍秶L(zhǎng)9 km，跨越杭州至外海的習(xí)慣性航道(涵蓋范圍超過2 km)。

(2)橋位二(黃灣橋位)

北起海寧市黃灣鎮(zhèn)，南至余姚市小曹娥鎮(zhèn)，位于嘉紹大橋下游12 km。橋位跨越杭州至外海的習(xí)慣性航道(涵蓋范圍超過2 km)，橋位跨越海域范圍16 km，橋梁軸線的法線方向與航道方向基本一致。

(3)橋位三(海鹽西橋位)

北起海鹽縣西側(cè)馬牙墳村，南至慈溪市杭州灣濕地公園東側(cè)，距離杭州灣跨海大橋7 km。橋位跨越秦山航道、杭州-嘉興航道、杭州外海航道、上虞-嘉興航道等4條航道，橋梁軸線的法線方向與航道的最大夾角為32°。

(4)橋位四(海鹽東橋位)

北起嘉興市海鹽縣東側(cè)黃家堰村，南至慈溪市杭州灣濕地公園東側(cè)，距離既有杭州灣跨海大橋5 km，橋位跨越秦山航道、杭州-嘉興航道、杭州外海航道、上虞-嘉興航道等4條航道。

(5)橋位五(并杭州灣跨海大橋橋位)

北起海鹽鄭家埭，南至慈溪水路灣，位于杭州灣跨海大橋上游約50 m，橋跨與既有橋?qū)撞贾?，跨越杭州灣北航道和南航道，橋梁軸線的法線方向與航道方向基本一致。

(6)橋位六(澉浦橋位)

北起海鹽縣澉浦鎮(zhèn)長(zhǎng)山附近，南至余姚市小曹娥鎮(zhèn)，跨越海域范圍為16 km。橋位北岸側(cè)與澉浦臨港工業(yè)區(qū)及既有和規(guī)劃泊位沖突，南岸側(cè)與規(guī)劃的3 000 t多用途泊位沖突。橋位穿越規(guī)劃的秦山核電站長(zhǎng)山廠址，并侵入其規(guī)劃限制區(qū)。秦山核電站明確表示反對(duì)澉浦橋位方案，故舍棄澉浦橋位[8]。

以下僅對(duì)橋位一至橋位五進(jìn)行比較分析。

3.2 橋位分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及橋位處實(shí)際的水文、通航等諸多影響因素[9]，對(duì)各橋位分析如下。

(1)對(duì)現(xiàn)狀及規(guī)劃碼頭、港口岸線、航道、錨地的影響分析

①并嘉紹大橋橋位與現(xiàn)狀或規(guī)劃的碼頭、錨地距離符合規(guī)范要求，橋位跨越杭州至外海的習(xí)慣性航道，橋梁軸線的法線方向與主航道方向基本一致。

②黃灣橋位與現(xiàn)狀或規(guī)劃的碼頭、錨地距離符合規(guī)范要求，橋位跨越杭州至外海的習(xí)慣性航道[10]，橋梁軸線的法線方向與主航道方向基本一致。

③海鹽西橋位北岸接線穿過海鹽港區(qū)及預(yù)留發(fā)展區(qū)(E區(qū))，不符合規(guī)范要求，橋位距離西南側(cè)的華電能源液化氣碼頭最近距離約150 m，達(dá)不到橋梁與港口碼頭的安全距離要求，橋位跨越秦山航道、杭州—嘉興航道、杭州外海航道、上虞—嘉興航道等四條航道，橋軸法線方向與航道的最大夾角為32°。

④海鹽東橋位北岸接線穿過海鹽港區(qū)通用與多用途作業(yè)區(qū)(C區(qū))，不符合規(guī)范要求，與已開工建設(shè)的大型濱海旅游景區(qū)—山水六旗距離較近，橋位與海鹽港區(qū)C區(qū)規(guī)劃的萬(wàn)噸級(jí)泊位、規(guī)劃的海鹽錨地以及已建的白塔山錨地距離不滿足規(guī)范要求；橋位跨越秦山航道、杭州—嘉興航道、杭州外海航道、上虞—嘉興航道等四條航道，橋軸法線方向與航道的最大夾角49°。

⑤并杭州灣跨海大橋橋位緊靠杭州灣跨海大橋，北岸接線穿杭州灣跨海大橋保護(hù)性岸線(長(zhǎng)900 m)，臨近海鹽港區(qū)綜合物流與臨港工業(yè)發(fā)展區(qū)、通用與多用途庫(kù)場(chǎng)。橋位跨越杭州灣北航道和南航道，橋梁軸線法線方向與航道方向基本一致。

綜上，橋位選址從優(yōu)到劣排序?yàn)闃蛭晃?、橋位一、橋位二、橋位三、橋位四?/p>

(2)從海床穩(wěn)定，水深充裕等自然條件分析

橋位一、橋位二位于尖山-澉浦航段，受徑流和潮流共同作用，河床沖淤變化大，主槽平面擺動(dòng)頻繁，航道主槽的平均水深為5～7 m，1 000 t級(jí)以上船舶需乘潮通過；橋位三、橋位四、橋位五位于澉浦-獨(dú)山航段，以潮流作用為主，床面相對(duì)穩(wěn)定，海床平均水深為8～10 m，5 000 t級(jí)船舶可乘潮通過。橋位選址從優(yōu)到劣排序?yàn)闃蛭晃?、橋位四、橋位三、橋位二、橋位一?/p>

(3)從航道順直、水流條件分析

以橋梁軸線的法線方向與航道中心線的夾角初步判斷，橋位一、橋位二、橋位五的水流偏角相對(duì)較小，且過橋最小直線段長(zhǎng)度大于4倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，船舶操縱安全性較好[11]；而橋位三、橋位四與杭州嘉興航道，上虞嘉興航道中心線偏角相對(duì)較大，不利于船舶的安全通航。橋位選址從優(yōu)到劣排序?yàn)闃蛭晃濉蛭欢?、橋位一、橋位三、橋位四?/p>

(4)從航道上相鄰兩座橋梁的軸線間距分析

橋位二，橋位三，橋位四與相鄰橋梁的距離分別為8.8 km、6.7 km、4.8 km，均滿足規(guī)范規(guī)定的相鄰橋梁間距要求；橋位一、橋位五與相鄰橋梁的邊緣距離控制在50 m以內(nèi)，通航孔相互對(duì)應(yīng)，滿足規(guī)范要求。選址從優(yōu)到劣排序?yàn)闃蛭欢?、橋位三、橋位四、橋位五、橋位一?/p>

(5)從通航角度分析

橋位五在與杭州灣跨海大橋間相鄰邊緣距離控制在50 m以內(nèi)，且通航孔相互對(duì)應(yīng)，條件相對(duì)較優(yōu)。

各擬建橋位的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。投資及運(yùn)行時(shí)分比較見表2。

表1 擬建橋位比選匯總

表2 投資及運(yùn)行時(shí)分比較

3.3 橋式方案分析

結(jié)合線路走向方案，對(duì)并嘉紹橋位、黃灣橋位、海鹽西橋位、并杭州灣跨海大橋橋位四個(gè)方案的橋式方案進(jìn)行分析。各橋位通航要求見表3。

表3 各橋位通航要求

并嘉紹大橋橋位和黃灣橋位推薦采用斜拉橋方案。海鹽西橋位、并杭州灣跨海大橋橋位航道要求的孔跨在300～500 m之間，可考慮的橋型主要有斜拉橋、懸索橋、鋼桁拱。懸索橋、鋼桁拱造價(jià)高，海洋環(huán)境下維修工作量大，景觀協(xié)調(diào)性較差[12]。經(jīng)研究，推薦鋼箱結(jié)合梁斜拉橋方案[13]。結(jié)合既有杭州灣跨海大橋主橋橋型結(jié)構(gòu)，斜拉橋采用鉆石型索塔，與既有斜拉橋交相輝映。

3.4 橋式方案推薦意見

綜上所述，推薦采用線路長(zhǎng)度短，與城市規(guī)劃銜接好，嘉興、寧波地區(qū)布局合理，運(yùn)輸徑路通暢的并杭州灣跨海大橋橋位，采用主跨448 m、318 m的鋼箱結(jié)合梁斜拉橋，引橋采用簡(jiǎn)支箱梁為主的橋型。

4 隧道穿越方案比選

4.1 隧道穿越方案分析

對(duì)于隧道方案，主要控制因素為水底地形及地質(zhì)條件，重要影響因素為兩岸城市規(guī)劃、環(huán)境敏感區(qū)分布、水文條件、航道水深規(guī)劃及船舶下錨深度等。研究的重點(diǎn)內(nèi)容為平面選址、施工工法、埋置深度、橫斷面形式、防災(zāi)救援及施工組織。評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)為施工風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、施工工期及工程投資。根據(jù)海域?qū)挾燃八?、地質(zhì)條件，結(jié)合線路走向，隧道平面選址的研究范圍主要為嘉紹大橋至杭州灣跨海大橋之間(海域?qū)?～26.5 km)。研究了并嘉紹大橋、黃灣、海鹽西及并杭州灣跨海大橋4個(gè)方案。

圖3 隧道穿越方案平面位置圖

(1)方案一(并嘉紹大橋方案)

隧址海域?qū)?.6 km，最大水深約5 m。隧道全長(zhǎng)11.7 km，采用單洞雙線斷面盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)段長(zhǎng)10.5 km，采用2臺(tái)直徑14.6 m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，共設(shè)置盾構(gòu)井3座，海域內(nèi)設(shè)接收井1座。盾構(gòu)機(jī)單頭最大推進(jìn)長(zhǎng)度5.5 km，土建工期為42個(gè)月。根據(jù)國(guó)內(nèi)已施工大直徑水下盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)[14]，本方案施工風(fēng)險(xiǎn)可控，運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)最低，工程投資約為2 719 449.23萬(wàn)元。

(2)方案二(黃灣方案)

隧址海域?qū)?4.5 km，最大水深約5 m。隧道全長(zhǎng)19.03 km，采用雙洞單線斷面盾構(gòu)法施工，線間設(shè)置橫通道18處。盾構(gòu)段長(zhǎng)17.1 km，采用4臺(tái)直徑11.6 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，共設(shè)置盾構(gòu)井3座，海域內(nèi)設(shè)接收井1座。盾構(gòu)機(jī)單頭最大推進(jìn)長(zhǎng)度為9.1 km，土建工期為58個(gè)月。本方案施工風(fēng)險(xiǎn)較大，運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較大[15]，工程投資約為2 799 449.23萬(wàn)元。

(3)方案三(海鹽西方案)

隧址海域?qū)?4.8 km，最大水深約10 m。隧道全長(zhǎng)27.3 km，采用雙洞單線斷面盾構(gòu)法施工，線間設(shè)置橫通道34處。盾構(gòu)段長(zhǎng)25.8 km，采用6臺(tái)直徑11.6 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，共設(shè)置盾構(gòu)井4座，海域內(nèi)設(shè)始發(fā)井1座、接收井1座。盾構(gòu)機(jī)單頭最大推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)13 km，土建工期為75個(gè)月。本方案施工風(fēng)險(xiǎn)大，運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大，工程投資約為2 819 449.23萬(wàn)元。

(4)方案四(并杭州灣跨海大橋方案)

隧址海域?qū)?6.3 km，最大水深約12 m。隧道全長(zhǎng)30.33 km，采用雙洞單線斷面盾構(gòu)法施工，線間設(shè)置橫通道37處。盾構(gòu)段長(zhǎng)27.7 km，采用6臺(tái)直徑11.6 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，共設(shè)置盾構(gòu)井4座，海域內(nèi)設(shè)始發(fā)井1座、接收井1座。盾構(gòu)單頭最大推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)14.65 km，土建工期為82個(gè)月。本方案施工風(fēng)險(xiǎn)最大，運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)最大，工程投資約為2 919 449.23萬(wàn)元。

4.2 推薦意見

通過研究，采用隧道方案穿越杭州灣技術(shù)上是可行的。經(jīng)綜合比選，方案一(并嘉紹大橋方案)為最優(yōu)方案，各方案優(yōu)劣排序情況為方案一、方案二、方案三、方案四。

5 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合杭州灣海域的地形、地質(zhì)、港口碼頭、錨地、航道分布及兩岸的環(huán)境保護(hù)區(qū)等情況，采用橋梁方案跨越杭州灣，技術(shù)成熟，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)可控，投資較省，而隧道下穿杭州灣方案，風(fēng)險(xiǎn)較大，投資較大[16]，故推薦采用線路長(zhǎng)度短，與城市規(guī)劃銜接好，地區(qū)布局合理，運(yùn)輸徑路通暢的并杭州灣跨海大橋橋位方案[17]。