深江鐵路珠江口隧道工程線路方案研究

褚 凱， 賀維國， 于 勇

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300000)

0 引言

鐵路選線是鐵路建設總覽全局的核心工作[1-2]。陳曉珠等[3]在沿江高速鐵路上海至南通段線路方案研究中，結合主要經濟據點、樞紐引入條件和工程投資等因素,進行多方案技術比選,確定了線路方案。紀雪艷[4]在佛山至江門鐵路線路走向方案研究中，以盡量兼顧沿線經濟據點，充分吸引客流，服務地方經濟，盡量繞避風景名勝區、自然保護區等環境敏感點等為原則進行方案研究。謝翠明[5]在深惠城際鐵路線路走向方案研究中，采用途經經濟據點數量、客流指標、工程數量與投資、運營成本等方面定量比較及客流吸引、城市規劃與產業布局、綜合交通分布匹配性、運輸組織及運營管理、工程實施難度等方面定性分析相結合的方法，確定了線路走向。這些研究為鐵路選線提供了寶貴的經驗。

然而，在以往的研究中，針對特長海底鐵路隧道選線研究較少，如何進行方案技術、經濟、風險評估并選擇合理方案，是一個亟待解決的問題。本文以深江鐵路珠江口隧道為依托，從控制因素分析、越江點位置選擇、線路走向選擇、海底隧道修建難度、地質選線、工程選線[6-7]、工期及工程投資等方面進行全面研究，最終確定最合理的線路方案，為工程建設創造良好的條件。

1 工程概況

深圳至江門鐵路項目[8]位于廣東省珠江三角洲地區，線路從規劃深圳樞紐西麗站引出，經深圳市、東莞市，其隧道穿越珠江口，經廣州市南沙區、中山市、江門市，引入深茂鐵路江門至茂名段江門站，線路全長約116.12 km。珠江口隧道位于深圳、東莞、廣州三地之間的珠江入海口，是深江鐵路控制性工程，采用雙線高速鐵路標準，設計速度為200 km/h。

2 選線控制因素

2.1 城市規劃

工程所處珠江口兩岸與本工程相關的城市規劃主要有深圳市新興海洋產業基地、東莞市長安新區、廣州市南沙新區及南沙樞紐規劃。其中，長安新區將致力塑造珠三角現代服務業新城和國際濱海灣區創新都市，重點打造珠三角地區海洋產業基地、莞深創新金融與總部基地、東莞現代生產性服務業基地三項城市目標；南沙的城市性質為粵港澳全面合作的國家級新區、國家新型城市化綜合示范區，內地與港澳、國際接軌的服務平臺，珠江三角洲世界級城市群的樞紐性城市；南沙樞紐包含深江鐵路，南沙港鐵路，廣中珠澳鐵路，中南虎城際，廣州地鐵15號線、18號線等，形成銜接粵港澳大灣區的綜合交通樞紐。

2.2 航道與航運

工程沿線穿越珠江口多條航道，規劃航道[9]等級及底標高見表1。

表1 規劃航道等級表

珠江口是我國水上運輸最繁忙、船舶密度最大的水域之一。本工程穿越珠江口主航道，也是廣州港等珠三角港口群的主航道，是大灣區港口群連接國際航道、通達國內外港口的水路運輸大動脈。主要航道2014—2016年船舶日均流量[9]統計如下： 虎門水道約285艘，太平水道約30艘，枕箱水道約200艘，龍穴南水道約17艘。工程選線時應盡量減小對規劃航道及航運的影響。

2.3 環境敏感點

工程沿線環境敏感點主要有深圳市海洋新興產業基地生態濕地、深圳市海上田園風景區、東莞市黃唇魚保護區、虎門炮臺、南沙濕地公園、天后宮等，工程選線時應避讓上述環境敏感點[5]。

2.4 地質

工程地質條件[10]極為復雜，勘察顯示線路范圍存在3組斷裂帶，南北臺水道處有較深的風化槽，花崗巖和片巖受風化影響，巖面線起伏頻率較大。最大飽和抗壓強度達220 MPa。

不良地質主要有： 斷裂破碎帶3組，影響長度總計約1 240 m；次生斷裂帶6條，影響長度總計約120 m； 砂土液化，液化等級為輕微—中等，特殊性巖土為軟土、人工填土、殘積土與全強風化巖。

3 越江點位置的選擇

3.1 珠江口東岸

隧址選擇范圍位于虎門大橋下游至深中通道上游。虎門大橋下游0～10 km位于東莞市虎門鎮及長安新區。以太平水道為界，北側為威遠島，島上有威遠炮臺、海戰博物館等歷史文物古跡，是全國重點文物保護單位。太平水道南側為虎門沙角社區，其振興西路北側沿江大堤內多為暫未開發的農田，振興西路向南分別是沙角炮臺、海軍訓練營地、沙角電廠等，沙角電廠碼頭至東寶河岸為長安新區管委會的高新技術產業區及規劃港區，其中高新技術產業區已引進步步高集團等高新科技企業，沿岸線開發。

東寶河以南為深圳市寶安區，廣深沿江高速公路貫穿南北。廣深沿江高速公路西側為沿江灘涂地，東側由北向南分別為深圳海上田園旅游區，緊鄰在建的深圳國際會展中心，向南約3 km為深圳市寶安機場。根據深圳城市規劃，海上田園是一個集旅游觀光、休閑度假、生態科普、會議培訓等多種功能為一體的國家4A級生態旅游度假區；在建的深圳國際會展中心是深圳市布局的空港新城“兩中心一館”3大主體建筑之一，建成后將成為全球最大的展館，是深圳新地標；深圳寶安國際機場占地面積11 km2，是一個海、陸、空聯運的現代化航空港，是世界百強機場之一、中國大陸第5大航空港。

因此，從東莞市城市規劃和對文物古跡保護的角度考慮，越江隧道東岸接線應以北不經過威遠島、南不進入長安新區規劃港區為佳。從深圳市城市規劃和現有交通設施的角度考慮，越江隧道東岸接線應以北不侵占在建的深圳國際會展中心、南不影響寶安機場端凈空區為佳。如此，既可繞避珠江口東岸各城鎮建成區與規劃區，減少拆遷及對城市規劃的分割，又可避免對沿岸港區及機場航班的影響。

根據以上分析，東岸選擇了2個越江點位置：

1)虎門大橋下游5 km方案，沿振興西路北側，從太平水道入海口越江。線路不上威遠島，且遠離沙角炮臺、海軍訓練營地、沙角電廠等控制因素，對虎門城鎮規劃及文物古跡等影響較小。

2)虎門大橋下游22 km方案，從寶安機場跑道以北500 m越江。線路繞避在建的深圳國際會展中心，對機場運營干擾較小，需水中下穿廣深沿江高速公路。

3.2 珠江口西岸

隧址選擇范圍位于廣州市南沙區。以鳧洲水道為界，北側為南沙核心區，沿岸自北向南分布有南沙游艇會、規劃的南沙國際郵輪碼頭、南沙客運港等航運碼頭設施，以及南沙天后宮、大角山海濱公園等風景名勝，沿岸控制因素密集。鳧洲水道南側為龍穴島，龍穴島北部現狀為沖積灘涂地，遠期規劃為挖入式港池與集裝箱泊位區。龍穴島中部為廣船國際公司造船基地建成區，南部為南沙新港集裝箱碼頭。島中與島南間有寬約1 km的結合部，現狀為未開發利用地，遠期規劃為挖入式港池。

因此，從廣州市南沙區城市規劃和港口建設規劃考慮，越江隧道西岸隧址的選擇，比較理想的區域應該在南沙島海濱公園南端至龍穴島南部之間，結合龍穴島的開發建設規劃，西岸選擇了2個越江點：

1)海濱路南側方案，沿南沙島岸線，從海濱路南側越江。線路遠離南沙島核心區規劃與建成港口設施，繞避了天后宮、海濱公園景區，對南沙島的規劃與建設無影響。

2)龍穴島中部方案，經龍穴島造船基地與南沙新港集裝箱碼頭結合部越江。線路繞避現有造船基地及建成碼頭，但對遠期規劃存在一定影響。

4 線路方案

針對珠江口東西兩岸越江點位置的研究情況，對南北兩側越江點進行組合構成越江方案，考慮到線路通道走向、工程合理性之后，提出2個方案，其線路方案示意圖見圖1。

圖1 線路方案示意圖

1)經南沙島取直的北線方案。線路出深圳機場東后，向北在沿江高速東側并行，接入東莞濱海灣站，隨后在太平水道處進入珠江口西行，接入規劃的南沙站，再繼續向西接入中山北站。研究范圍線路全長59.30 km，其中，橋梁段全長38.09 km，隧道段全長20.58 km(珠江口隧道全長13.69 km)，橋隧比98.93%。

2)經龍穴島中穿規劃港池的南線方案。線路出深圳機場東站后，線路西行，下穿珠江口，于南沙保稅港出口加工區西側接入南沙站，再繼續向西接入中山北站。研究范圍線路全長47.64 km，其中，橋梁段全長26.69 km，珠江口隧道全長20.75 km，橋隧比99.58%。

5 方案綜合比選

5.1 從串聯經濟據點方面分析

北線方案串聯珠江口兩岸深圳、東莞、廣州、中山4個重要經濟據點，沿線人口密集、經濟發達，增加了鐵路吸引范圍，有利于鐵路客流水平[11-12]和盈利能力的提升，經濟效益好。

南線方案避開了東莞，無法有效串聯粵港澳大灣區重要經濟據點，不利于鐵路客流水平和盈利能力的提升，經濟效益差。

5.2 從線型條件分析

從線路長度來看，北線方案線路長59.30 km，南線方案線路長47.64 km，南線方案線路長度較北線方案線路長度短11.66 km。

從線型指標來看，南北線方案在研究范圍內曲線半徑都能滿足時速200 km的技術要求。北線方案研究起點處曲線半徑為1 200 m，但該處曲線位于機場東站出站端，采用的曲線半徑與路段速度匹配。故2個方案的線型指標基本一致。

5.3 從珠江口隧道工程分析

珠江口隧道是本段線路比選最重要的控制工程，海底隧道工程的安全性、結構設計合理性、施工工期等直接影響著方案的選擇。廣深港客運專線獅子洋隧道已建成通車，其長距離盾構掘進及“地下對接、洞內解體”技術[13-14]對本工程隧道方案研究具有借鑒作用。

5.3.1 北線隧道方案

隧道全長13.69 km，采用單洞雙線方案，水域段兩端采用盾構法施工，中間硬巖段采用礦山法施工，采用2臺復合式泥水平衡盾構分別從兩端盾構井始發，至海中礦山、盾構工法分界處解體。單臺盾構穿越“上軟下硬”地層651 m、全斷面硬巖838 m，礦山段隧道下穿斷裂帶、穿越2處構造角礫夾泥段。總工期約54個月。北線隧道縱斷面見圖2。

圖2 北線隧道縱斷面圖(單位： m)

5.3.2 南線隧道方案

隧道全長20.75 km，采用單洞雙線方案，水域段兩端采用盾構法施工、中間硬巖段采用礦山法施工，采用2臺復合式泥水平衡盾構分別從兩端盾構井始發，至海中礦山、盾構工法分界處解體。單臺盾構穿越“上軟下硬”地層783 m、全斷面硬巖1 880 m，礦山段隧道需穿越3條大型斷裂破碎帶1 350 m。總工期約68個月。南線隧道縱斷面見圖3。

圖3 南線隧道縱斷面圖

5.3.3 隧道方案比選

5.3.3.1 隧道規模

南線方案海底隧道長度較北線方案長7.06 km，其中水下段長度長3.46 km，詳見表2。

表2 隧道規模對比表

5.3.3.2 越江段地質條件

2個線位的地貌單元均為珠江三角洲平原，覆蓋層成份基本相同，上部以全新統海陸交互相沉積為主，由軟土、砂土組成； 下部由上更新統黏性土、砂礫石層組成，底部有薄層殘積土。北線位基巖為白堊系白鶴洞組含礫砂巖、燕山期花崗巖、元古界的片巖；南線位基巖主要為元古界的片巖、燕山期花崗巖。具體對比分析見表3。由表可見，通過地形地貌、地層巖性、地質構造、地下水、不良地質與特殊性巖土等地質條件[15]綜合對比，北線方案優于南線方案。

表3 地質對南、北線隧道方案影響對比表

5.3.3.3 施工難度與風險

北線方案單臺盾構穿越“上軟下硬”地層651 m、全斷面硬巖838 m，刀具磨損大，換刀頻繁。礦山段隧道下穿斷裂帶、穿越2處構造角礫夾泥段，圍巖自穩能力差、滲透性強，存在突水、涌泥風險。

南線方案單臺盾構穿越“上軟下硬”地層783 m、全斷面硬巖1 880 m，盾構段風險稍大于北線。礦山段海底隧道施工長度達16.3 km，其施工難度與風險明顯高于北線方案。

5.3.3.4 防災疏散

北線方案隧道封閉段長度小于20 km，無需設置救援站，只在隧道中部的南沙島尖結合斜井設置1處避難所。隧道兩側設置疏散通道，滿足相關疏散功能要求。

南線方案隧道封閉段長度大于20 km，利用施工平導設置緊急救援站1座、斜井設置避難所2座，滿足相關疏散功能要求。

5.3.3.5 運營養護

隧道為限排防水，造成干濕交替環境，海水腐蝕等級較高，對結構及管路的耐久性要求高，后期維護成本大。

北線方案礦山法段按限排要求，每天排水量約2 000 m3，每年排水費用約為360萬元。

南線方案礦山法段按限排要求，每天排水量約7 600 m3，每年排水費用約為1 400萬元，遠高于北線方案。

5.3.3.6 港口影響

北線方案避開沙角作業區和南沙游艇碼頭區，對港口無影響。

南線方案下穿龍穴島規劃的港池及碼頭，對后期港池的實施影響較大。

5.3.3.7 隧道方案比選結論

綜上所述，南北線隧道方案技術上均可行，但北線隧道方案長度遠小于南線方案，其面臨的地質風險、施工風險、防災疏散、運營養護、對港口影響、工期等方面均優于南線隧道方案。

5.4 從城市規劃方面分析

北線方案南沙站位置與城市規劃相符，車站與各組團中心距離在0～15 km，旅客出行方便。

南線方案南沙站位于規劃南沙站南側5.0 km處，車站與各組團中心距離5～20 km，偏于萬頃沙島南端，與城市中心距離較遠，與城市規劃不符。

5.5 從城市軌道交通體系方面分析

北線方案南沙站處規劃有廣州地鐵18號線及15號線，并設站與深茂鐵路南沙站銜接換乘。南沙站還有在建的南沙港鐵路、規劃的廣中珠澳鐵路、中南虎城際、肇順南城際鐵路引入形成南沙綜合交通樞紐。本線車站位于城市幾何中心，有利于形成中心向四周輻射的交通銜接體系，各向與城市中心之間溝通距離均等，且距離較近。

南線方案在規劃的南沙樞紐南側5 km設站，車站中心南移會導致其他交通體系跟隨南延，形成大量客流、車流穿城而過的效應，增加旅客出行距離，增加中心城區交通壓力，不利于其他交通方式銜接。

5.6 從環境影響方面分析

北線方案在深圳段位于濕地保護區范圍內，需協調調整濕地范圍；隧道穿越黃唇魚保護區，需專題論證。

南線方案地面段距離南沙濕地公園最近處7.8 km，對濕地影響較小；經過中山大豐水廠飲用水源二級保護區，在水源保護區內采用大跨度橋梁通過，對水源保護區影響小。

5.7 從工期及工程投資方面分析

北線方案線路長59.30 km，工期54個月，投資估算約165.57億元。

南線方案線路長47.64 km，工期68個月，投資估算約141.3億元。

5.8 綜合比選

綜合以上分析，北線方案與南線方案綜合比選如表4所示。

表4 綜合比選表

綜上所述，北線方案串聯了珠江口兩岸深圳、東莞、廣州、中山4個重要經濟據點，增加了鐵路吸引范圍，有利于鐵路客流水平和盈利能力的提升；從社會效益來看，采用北線方案可以更好地強化灣區內部城市之間交通聯系，有助于東莞、南沙更好地參與構建高效便捷的現代綜合交通運輸體系，有助于東莞、南沙地區各種運輸方式的合理銜接，一體高效，為沿線居民綠色出行創造便利條件；北線方案珠江口隧道長度較南線方案短7.06 km，較南線方案的工期短14個月，施工難度及風險明顯更低，養護維修、運營條件相對較好；雖然線路長度較南線方案長11.66 km，投資較南線方案多24.27億元，但從鐵路服務于沿線社會經濟發展角度來看是必要的，因此，本工程推薦采用北線方案。

6 結論與建議

1)本文充分分析了特長海底隧道選線控制因素，選擇了珠江口兩岸合適的越江點，提出了虎門太平水道入海口越江的“深圳—虎門—南沙”北線方案及在深圳寶安機場跑道以北500 m越江的“深圳—南沙”南線方案。

2)南北線隧道采用“盾構法+礦山法”組合工法方案，技術上均可行，但從隧道規模、地質、施工難度及風險、防災疏散、運營養護、對港口影響、工期及投資等方面綜合比選，北線隧道方案具有明顯優勢。

3)北線方案串聯粵港澳大灣區，經濟效益好；符合城市規劃，有助于東莞、南沙更好地構建高效便捷的現代綜合交通運輸體系； 北線方案具有明顯優勢；雖然投資較南線方案多24.27億元，但從鐵路服務于沿線社會經濟發展角度來看是必要的，因此，本工程推薦采用北線方案。

4)考慮到珠江口隧道規模大、地質復雜、風險高，建議后續設計中結合詳勘進一步優化北線線路方案，降低施工難度、減小施工風險，確保工程順利實施。