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

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景

1.1 通蘇嘉甬鐵路概況

長三角區域地理位置優越，已經形成高速鐵路、城際鐵路、快速及普速鐵路縱橫交織的鐵路網。2017年，區域鐵路里程5 813 km，占全國4.7%，鐵路網密度2.7 km/100 km2。該區域既有鐵路網雖密集，但存在技術標準不一、主要干線承擔運量較大、個別區段能力飽和等情況。

近年來，隨著交通強國戰略的實施，長三角城市群區域經濟快速發展。但南通市向南的鐵路較少，制約著該區域的交通發展。為了解決該問題，通蘇嘉甬鐵路的建設被提上了日程。通蘇嘉甬鐵路位于江蘇省及浙江省境內，途經南通、蘇州、嘉興及寧波等城市，是中長期鐵路網“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三角地區城際鐵路的骨干線路，同時承擔通道內的長途客流和長三角區域城際客流。

杭州灣是該線路中的一個重要地區節點。為了解決線路跨越杭州灣的問題，在考慮橋隧各個方案影響因素的基礎上，綜合工程、地質、規劃、經濟條件，對橋梁和隧道方案進行比選。

1.2 越江(跨海)工程的橋隧方案比較研究成果

在國內，已有許多學者對跨海工程進行了相關研究。宋克志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，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，最后獲得全橋梁、全隧道及橋隧組合方案的模糊綜合評價值[1]。羅水蘭，王恩茂等探討了跨海通道項目綜合評價指標體系及評價模型，并以廈門東通道跨海項目為例，對橋梁與隧道方案進行評價[2]。林志良綜合橋梁與隧道各自的優點，對泉州灣跨海通道橋隧組合方案的構思、設計和關鍵技術進行了詳細論述[3]。劉云斌以舟山市沈家門至魯家峙跨海通道工程為例，對橋梁和隧道方案的不同特點進行了分析研究[4]。林立彬在充分借鑒國內外跨河(海)通道工程建設的基礎上，結合營口市遼河跨河通道工程的建設條件，對橋梁方案和水下隧道方案進行了綜合比選[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，區域內主要有南通市、蘇州市、嘉興市、寧波市、紹興市5個地級城市，以及張家港市，常熟市，昆山市，吳江區，嘉善縣，桐鄉市，平湖市，海鹽市，海寧市，上虞區，余姚市，杭州灣新區，杭州蕭山區13個縣、市、區。結合經濟據點分布、路網布局、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

東線方案所經經濟據點較少，西線方案線路過于繞行，工程投資大，而中線方案經過蘇州市和嘉興市主城區，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，經慈溪至莊橋站，正線長288.299 km。

3 橋位方案比選

該段線路方案受嘉興地區與寧波樞紐引入方案、杭州灣橋位、環境敏感區，以及沿線海鹽、慈溪、余姚等經濟據點因素影響。另外，已建成的秦山核電站與規劃秦山核電站長山廠址外5 km范圍為禁建區，海鹽港區和錨地也對走向方案影響較大。

3.1 橋位選擇

橋位選擇和通航孔設置應滿足《通航海輪航道橋梁通航標準》(JTJ311—97)規定[7]。擬建橋位區具海域寬闊、岸線復雜、港口碼頭密布、錨地分布廣、潮流復雜、水下地形起伏較大、航道變化大等特點，兩岸分布有南北湖風景名勝區、秦山核電站、杭州灣國家濕地公園、杭州灣新城等，控制因素較多。結合以上控制因素，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。跨越海域范圍長9 km，跨越杭州至外海的習慣性航道(涵蓋范圍超過2 km)。

(2)橋位二(黃灣橋位)

北起海寧市黃灣鎮，南至余姚市小曹娥鎮，位于嘉紹大橋下游12 km。橋位跨越杭州至外海的習慣性航道(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)

北起海鹽縣西側馬牙墳村，南至慈溪市杭州灣濕地公園東側，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黃家堰村，南至慈溪市杭州灣濕地公園東側，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，橋跨與既有橋對孔布置，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)

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

以下僅對橋位一至橋位五進行比較分析。

3.2 橋位分析

依據相關規范要求及橋位處實際的水文、通航等諸多影響因素[9]，對各橋位分析如下。

(1)對現狀及規劃碼頭、港口岸線、航道、錨地的影響分析

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

②黃灣橋位與現狀或規劃的碼頭、錨地距離符合規范要求，橋位跨越杭州至外海的習慣性航道[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及預留發展區(E區)，不符合規范要求，橋位距離西南側的華電能源液化氣碼頭最近距離約150 m，達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通用與多用途作業區(C區)，不符合規范要求，與已開工建設的大型濱海旅游景區—山水六旗距離較近，橋位與海鹽港區C區規劃的萬噸級泊位、規劃的海鹽錨地以及已建的白塔山錨地距離不滿足規范要求；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性岸線(長900 m)，臨近海鹽港區綜合物流與臨港工業發展區、通用與多用途庫場。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，橋位選址從優到劣排序為橋位五、橋位一、橋位二、橋位三、橋位四。

(2)從海床穩定，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，主槽平面擺動頻繁，航道主槽的平均水深為5～7 m，1 000 t級以上船舶需乘潮通過；橋位三、橋位四、橋位五位于澉浦-獨山航段，以潮流作用為主，床面相對穩定，海床平均水深為8～10 m，5 000 t級船舶可乘潮通過。橋位選址從優到劣排序為橋位五、橋位四、橋位三、橋位二、橋位一。

(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較小，且過橋最小直線段長度大于4倍設計船長，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較大，不利于船舶的安全通航。橋位選址從優到劣排序為橋位五、橋位二、橋位一、橋位三、橋位四。

(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，均滿足規范規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，通航孔相互對應，滿足規范要求。選址從優到劣排序為橋位二、橋位三、橋位四、橋位五、橋位一。

(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，且通航孔相互對應，條件相對較優。

各擬建橋位的優缺點見表1。投資及運行時分比較見表2。

表1 擬建橋位比選匯總

表2 投資及運行時分比較

3.3 橋式方案分析

結合線路走向方案，對并嘉紹橋位、黃灣橋位、海鹽西橋位、并杭州灣跨海大橋橋位四個方案的橋式方案進行分析。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、鋼桁拱造價高，海洋環境下維修工作量大，景觀協調性較差[12]。經研究，推薦鋼箱結合梁斜拉橋方案[13]。結合既有杭州灣跨海大橋主橋橋型結構，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，推薦采用線路長度短，與城市規劃銜接好，嘉興、寧波地區布局合理，運輸徑路通暢的并杭州灣跨海大橋橋位，采用主跨448 m、318 m的鋼箱結合梁斜拉橋，引橋采用簡支箱梁為主的橋型。

4 隧道穿越方案比選

4.1 隧道穿越方案分析

對于隧道方案，主要控制因素為水底地形及地質條件，重要影響因素為兩岸城市規劃、環境敏感區分布、水文條件、航道水深規劃及船舶下錨深度等。研究的重點內容為平面選址、施工工法、埋置深度、橫斷面形式、防災救援及施工組織。評價的主要指標為施工風險、運營風險、施工工期及工程投資。根據海域寬度及水文、地質條件，結合線路走向，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(海域寬8～26.5 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)

隧址海域寬8.6 km，最大水深約5 m。隧道全長11.7 km，采用單洞雙線斷面盾構法施工。盾構段長10.5 km，采用2臺直徑14.6 m的泥水平衡盾構機，共設置盾構井3座，海域內設接收井1座。盾構機單頭最大推進長度5.5 km，土建工期為42個月。根據國內已施工大直徑水下盾構隧道施工經驗[14]，本方案施工風險可控，運營風險最低，工程投資約為2 719 449.23萬元。

(2)方案二(黃灣方案)

隧址海域寬14.5 km，最大水深約5 m。隧道全長19.03 km，采用雙洞單線斷面盾構法施工，線間設置橫通道18處。盾構段長17.1 km，采用4臺直徑11.6 m泥水平衡盾構機，共設置盾構井3座，海域內設接收井1座。盾構機單頭最大推進長度為9.1 km，土建工期為58個月。本方案施工風險較大，運營風險較大[15]，工程投資約為2 799 449.23萬元。

(3)方案三(海鹽西方案)

隧址海域寬24.8 km，最大水深約10 m。隧道全長27.3 km，采用雙洞單線斷面盾構法施工，線間設置橫通道34處。盾構段長25.8 km，采用6臺直徑11.6 m泥水平衡盾構機，共設置盾構井4座，海域內設始發井1座、接收井1座。盾構機單頭最大推進長度達13 km，土建工期為75個月。本方案施工風險大，運營風險大，工程投資約為2 819 449.23萬元。

(4)方案四(并杭州灣跨海大橋方案)

隧址海域寬26.3 km，最大水深約12 m。隧道全長30.33 km，采用雙洞單線斷面盾構法施工，線間設置橫通道37處。盾構段長27.7 km，采用6臺直徑11.6 m泥水平衡盾構機，共設置盾構井4座，海域內設始發井1座、接收井1座。盾構單頭最大推進長度達14.65 km，土建工期為82個月。本方案施工風險最大，運營風險最大，工程投資約為2 919 449.23萬元。

4.2 推薦意見

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

5 結論

綜上所述，結合杭州灣海域的地形、地質、港口碼頭、錨地、航道分布及兩岸的環境保護區等情況，采用橋梁方案跨越杭州灣，技術成熟，建設風險可控，投資較省，而隧道下穿杭州灣方案，風險較大，投資較大[16]，故推薦采用線路長度短，與城市規劃銜接好，地區布局合理，運輸徑路通暢的并杭州灣跨海大橋橋位方案[17]。