通蘇嘉甬高速鐵路跨杭州灣通道選擇及橋位論證

徐洪權(quán) 張 雷 張 建 別業(yè)山 蔡君君

(1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308； 2.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430056)

跨杭州灣通道是南通至蘇州至嘉興至寧波高速鐵路浙江段的重難點控制性工程，杭州灣兩岸分別為嘉興市和寧波市。嘉甬通道范圍內(nèi)，目前已建成兩座公路橋，即杭州灣跨海大橋和嘉紹大橋，呂忠達(dá)等對杭州灣大橋的特殊建設(shè)條件進(jìn)行了充分研究論證[1-2]。

我國大型交通通道和跨江跨河工程建設(shè)前，無一例外都需要開展充分的前期論證，劉新華等從規(guī)劃、路網(wǎng)、水文、河道演變、防洪、通航航運等方面，研究了跨海大橋的橋位選擇、流速計算、設(shè)計施工、風(fēng)險評估等，為項目決策和工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)[3-10]。

本線為高速鐵路[11-12]，具有聯(lián)網(wǎng)運量大、列車荷載大、運行速度高、結(jié)構(gòu)剛度大、沉降要求高、投資大等特點，為全面把握本線的功能定位、運量水平、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和線路走向，穩(wěn)定跨灣通道和橋位等工程建設(shè)方案，加快項目可行性研究報告的編制及批復(fù)，在項目前期，策劃并開展了跨灣運量預(yù)測與開行方案、嘉甬段接軌及線路走向方案等4項支撐性專題和海洋水文觀測、水下地形測量、表流跡線和航跡線觀測、氣象觀測與風(fēng)參數(shù)、海床沖淤演變、潮流泥沙數(shù)模及物模、與秦山核電站相容性、航道通航影響評價、海域使用論證等37項涉海專題研究。

以下著重分析影響通蘇嘉甬高速鐵路跨杭州灣通道選擇的主要控制因素，得到4個可能的跨灣通道線位，然后根據(jù)港航和核電相關(guān)要求進(jìn)行深入分析，并論證橋位的合理性[13-15]。

1 項目概況

通蘇嘉甬鐵路位于長三角城市群中心地區(qū)，為南北向鐵路，是中長期鐵路網(wǎng)沿海通道的組成部分、長三角城市群城際交流的重要城際骨干線路，是一條路網(wǎng)客流和城際客流并重的高速鐵路，設(shè)計速度為350 km/h，全長約310 km。

線路需跨越杭州灣，杭州灣位于中國浙江省東北部，是我國最大的喇叭口形海灣，也是世界著名的強潮海灣。本線跨海段長20～30 km，海底地形沖淤變化復(fù)雜，表流跡線年際變化大，氣象水文條件惡劣，港口岸線錨地眾多，航道密集，通航要求高，通道內(nèi)密集分布有海鹽港區(qū)、秦山核電站、錢塘江涌潮起潮點、海鹽縣城及山水六旗、南北湖風(fēng)景區(qū)、千畝蕩水源保護(hù)區(qū)、海鹽縣生物多樣性生態(tài)保護(hù)區(qū)、杭州灣國家級濕地保護(hù)區(qū)、方特樂園等重要控制因素，這些都直接影響跨灣通道選擇和橋位論證。

2 跨杭州灣通道主要控制因素

跨杭州灣通道方案選擇受區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)特征、區(qū)域交通現(xiàn)狀及規(guī)劃、秦山核電站、氣象水文地質(zhì)等自然條件、港口航道和海事、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)等主要控制因素影響(如圖1)。

注：①海鹽港區(qū)；②航道；③秦山核電站；④錢塘江涌潮點；⑤海鹽縣城；⑥南北湖風(fēng)景區(qū)；⑦千畝蕩水源保護(hù)地；⑧海鹽縣生物多樣性生態(tài)保護(hù)區(qū)；⑨杭州灣國家濕地公園生態(tài)保護(hù)區(qū)；⑩余姚市規(guī)劃工業(yè)區(qū)；方特樂園。圖1 跨杭州灣通道主要控制因素示意

2.1 區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)特征

杭州灣兩岸區(qū)域是長三角地區(qū)的重點區(qū)域，是我國綜合實力最強的地區(qū)之一，具有經(jīng)濟(jì)據(jù)點多且分布密集、人口聚集效應(yīng)明顯、經(jīng)濟(jì)發(fā)展地位突出，人員交往頻繁，出行需求旺盛等特征。作為全國百強縣市的海鹽縣和慈溪市以及杭州灣新區(qū)，目前均無鐵路通過，項目建設(shè)將提升跨灣鐵路服務(wù)的骨干作用，助力區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略升級，推進(jìn)與周邊城市協(xié)同發(fā)展。

2.2 區(qū)域交通現(xiàn)狀及規(guī)劃

目前，環(huán)杭州灣地區(qū)滬甬間鐵路均需繞行杭州，旅行時間長，杭州樞紐交通壓力大。現(xiàn)狀公路通道主要有杭州灣跨海公路橋和嘉紹大橋，目前兩橋擁擠度低、服務(wù)水平高、通行能力充裕，但由于過灣通道交通總量持續(xù)快速增長，預(yù)計將在未來10年趨于飽和，需要新的跨灣通道。

2.3 秦山核電站

秦山核電站是中國自行設(shè)計、建造的第一座核電站，根據(jù)《核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》，其規(guī)劃限制區(qū)半徑不得小于5 km。工程建設(shè)不得進(jìn)入規(guī)劃限制區(qū)，且需要考慮水動力條件改變對核電站取排水口海域的水下地形、液態(tài)流出物擴(kuò)散及溫升和生態(tài)的影響。因此，跨杭州灣線位通道必須繞行在核電站規(guī)劃限制區(qū)范圍以外，并需分析工程建設(shè)對核電站取排水口的影響。

2.4 自然條件

(1)氣象、水文條件

沿線所經(jīng)地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，季風(fēng)活動頻繁、冬夏季風(fēng)交替顯著，雨澇、臺風(fēng)、連陰、冰雹、大雪等災(zāi)害天氣時有出現(xiàn)。極端最高、最低氣溫為42.4 ℃和-11.9 ℃。沿線氣象站百年最大風(fēng)速范圍為36.4 ～40.1 m/s，經(jīng)數(shù)值模擬分析，建議最終的百年一遇風(fēng)速取40 m/s，年均6級及以上大風(fēng)天數(shù)取74 d。

杭州灣喇叭口水域潮汐與徑流并存，以潮汐作用為主，為非正規(guī)半日淺海潮，平均水深5～10 m，水深條件不理想。百年設(shè)計最大斷面垂線平均流速為4.56 m/s，最大潮差達(dá)8.96 m，設(shè)計波高6.9 m。

(2)海底地形及海床演變穩(wěn)定性

工程河段總體屬沖、海相地貌，海床面較為平坦，呈持續(xù)累積性淤積并漸趨穩(wěn)定態(tài)勢，但河口涌潮洶涌，潮高流急，易沖易淤，主槽擺動無常，沖淤幅度較大，灘槽演變復(fù)雜。

歷史上，杭州灣的演變以北沖南淤為總體特征，南岸淤漲，北岸在漲潮流和東南向強浪作用下，岸線侵蝕。隨著兩岸治江圍涂的結(jié)束，將維持喇叭形河口形態(tài)。

(3)防洪、涌潮

工程兩岸登陸點跨越Ⅰ、Ⅱ級堤防，依據(jù)《浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定》，工程阻水面積百分比不宜大于5%，不得超過7%。

依據(jù)《錢塘江涌潮影響評價技術(shù)規(guī)定》，單體工程建設(shè)后控制點涌潮高度的變幅應(yīng)控制在1%以內(nèi)，疊加累積影響應(yīng)控制在4%以內(nèi)。

(4)工程地質(zhì)條件

地層主要有海相及沖海相淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土及砂土。海相淤泥層厚度為20～40 m，基巖埋深超過110 m，海水具有高腐蝕性，且初勘期間，主要成分為甲烷的淺層氣噴發(fā)概率接近30%，工程建設(shè)需采取措施，地質(zhì)條件總體較差。

2.5 港航和海事要求

工程所屬嘉興港海鹽港區(qū)有10 000 t級海鹽進(jìn)港航道和杭州至乍浦航道，3 000 t級杭州至外海航道，3條航道均沿著不規(guī)則的沖刷深槽，固定性差且縱橫交錯，港航和海事部門對工程建設(shè)的風(fēng)險管控極其嚴(yán)格。

2.6 生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)

杭州灣及兩岸的生態(tài)敏感區(qū)眾多，包括錢塘江河口海洋生態(tài)紅線區(qū)、南北湖風(fēng)景區(qū)、千畝蕩水源保護(hù)地和海鹽縣生物多樣性生態(tài)保護(hù)區(qū)等，尤其是南岸的杭州灣灣國家濕地公園及生態(tài)紅線的管控類別為禁止開發(fā)，建設(shè)項目需繞避。

3 跨杭州灣通道線位方案

根據(jù)以上通道主要控制因素分析，秦山核電站是控制通道線位的最關(guān)鍵因素，本項目線位方案必須以繞避核電站規(guī)劃限制區(qū)5 km范圍為基礎(chǔ)，開展方案研究。綜合國內(nèi)外建設(shè)經(jīng)驗，跨海通道主要考慮通道規(guī)劃、氣象水文、海床演變、防洪涌潮、港口海事、通航航空、施工及運維成本、疏散救援等因素，宜選擇技術(shù)成熟、風(fēng)險可控、工程造價低的橋梁、隧道或是橋隧結(jié)合等方式，遵守“宜橋則橋、宜隧則隧”原則。

結(jié)合兩岸經(jīng)濟(jì)據(jù)點、高等級公路和重大交通設(shè)施、重大電力線和地下管線、地震臺站、城市規(guī)劃、特殊地質(zhì)等，擬選出海鹽東、海鹽西、澉浦東、澉浦西共4個線位方案，如圖2所示。

圖2 跨杭州灣通道線位方案示意

(1)海鹽東方案

考慮本線為鐵路沿海通道組成部分，線路應(yīng)盡量順直，且應(yīng)便于帶動海鹽縣東側(cè)開發(fā)，研究遠(yuǎn)離秦山核電站規(guī)劃限制區(qū)的海鹽東線位方案，但其穿越嘉興港海鹽港區(qū)核心區(qū)域，僅能以規(guī)模巨大的32 km長海底隧道通過，需要在海中設(shè)置人工島一座，技術(shù)難度高，防洪審批困難，工程投資大，且該方案需新建嘉興東站(無法引入嘉興南站，與嘉興市總體規(guī)劃不符)，亦不滿足滬甬間直連直通的客運需求，故予以舍棄。

(2)澉浦東方案

該方案自嘉興南站引出后至慈溪，兼顧服務(wù)海鹽縣，靠近航空線，線路短直，但其位于澉浦淺灘，海床沖淤幅度大，灘槽擺動頻繁，引起航道橋布置困難，特別是北岸需穿過秦山核電站及其規(guī)劃廠址的5 km規(guī)劃限制區(qū)，只能以27.1 km長隧道方式通過，海中需設(shè)置人工島，技術(shù)難度高，防洪審批困難，對核電區(qū)域淤積及溫排水?dāng)U散等影響較大，隧道施工和運營對核電站內(nèi)部設(shè)施也存在較大安全隱患，故研究后予以舍棄。

(3)海鹽西和澉浦西方案

嘉興南至慈溪間，繞行于核電5 km規(guī)劃限制區(qū)以外的有海鹽西和澉浦西方案，兩方案綜合比選見表1。

表1 跨杭州灣通道線位方案比選

由1表可知，澉浦西方案線路長，展線系數(shù)高，不符合項目功能定位；隧道盾構(gòu)獨頭掘進(jìn)距離長，存在淺層氣影響，海底對接風(fēng)險高；后期運營維護(hù)成本高，救援難度大；工程投資較高、施工難度較大、且工期較長。海鹽西方案線路短，經(jīng)過無高鐵覆蓋的海鹽縣、慈溪市和杭州灣新區(qū)，客流吸引能力強，線站位符合地方規(guī)劃，綜合開發(fā)價值大；橋梁橋面空間開放，后期運維成本低，救援難度小；工程投資較小，工程難度較小，工期短且可控。

綜上，推薦海鹽西方案以橋梁形式跨越杭州灣。

4 海鹽西橋位適應(yīng)性論證

4.1 自然條件適應(yīng)性

(1)河道演變適應(yīng)性

根據(jù)海床演變分析，越往下游的工程區(qū)域，水深條件越好，河床越穩(wěn)定，對于通航越有利。從水深條件、深泓穩(wěn)定性、沖淤幅度及航槽穩(wěn)定性等海床條件對比分析，海鹽西方案北岸深槽深泓平面擺動較小(約180 m)；秦山-乍浦通道深槽以及南支主槽擺動相對較大，但水深條件良好，海床高程隨深泓線變化較小。建橋的宏觀海域條件好，為橋梁建設(shè)和通航孔布設(shè)提供良好的海域條件。

(2)杭州灣表流跡線適應(yīng)性

在綜合各種因素優(yōu)化橋軸線法向與水流夾角后，如圖3所示，北岸水域(中航道橋以北)橋軸線法向與水流夾角基本控制在4°～9°，中航道橋-南航道橋區(qū)域橋軸線法向與水流夾角基本控制在6°以內(nèi)，受南岸杭州灣國家濕地公園生態(tài)紅線的影響，南航道橋以南橋軸線法向與水流夾角略大，基本控制在10°以內(nèi)，南岸登陸點附近的高灘水域以漫灘流為主，流向復(fù)雜，且流速相對較小，對防洪和涌潮影響較小。

圖3 橋軸線與水流關(guān)系(漲潮)

4.2 港口、航道相關(guān)適應(yīng)性

(1)港區(qū)規(guī)劃符合性

橋位位于嘉興港海鹽港區(qū)秦山通用與預(yù)留發(fā)展區(qū)(E區(qū))北側(cè)300 m處，為城市生活和大橋保護(hù)岸線，符合《嘉興港總體規(guī)劃(2017-2030)》。

(2)與港口作業(yè)區(qū)、錨地的安全距離

橋位附近上游370 m處有華電能源1 500 t級液化氣碼頭，下游540 m處有1 000 t級航標(biāo)站和海事碼頭，間距均滿足《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》中“跨越航道建筑物與沿海港口作業(yè)區(qū)的安全距離不應(yīng)小于碼頭代表船型總長的2倍”等規(guī)定。

橋位距離下游海鹽錨地(規(guī)劃)2.7 km，白塔山錨地5.2 km，間距均滿足《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》中“4倍錨泊船型長度”(約600 m)的要求。

(3)與航道關(guān)系

為保證橋區(qū)通航安全，結(jié)合習(xí)慣性航路對海鹽港區(qū)規(guī)劃航路進(jìn)行了調(diào)整。航路調(diào)整后，橋軸線與北、中、南航道均正交，滿足規(guī)范和航道通航影響評價要求。

4.3 附近水上構(gòu)筑物間距適應(yīng)性

本工程橋位北、南通航孔分別與杭州灣北、南通航孔對應(yīng)布置，中通航孔覆蓋乍浦-秦山的潮汐通道布設(shè)。

選取代表船型，其中10 000 t級雜貨船船長為146 m，橋區(qū)航速取5.14 m/s，疊加潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究得到的建橋后航道內(nèi)最大流速3.6 m/s，則船舶可能最大實際航速為8.74 m/s，則軸線間距應(yīng)大于2 768 m。橋位距離下游杭州灣公路跨海大橋約6 km、上游嘉紹大橋約35 km，均滿足規(guī)范要求的5 min航程要求，并經(jīng)船舶操縱模擬試驗，3個通航孔均能較好適應(yīng)兩橋間的船舶通航。

綜上，海鹽西橋位對海床演變、防洪涌潮影響較小，亦滿足港航規(guī)范及規(guī)劃要求，橋位適應(yīng)性良好。

5 結(jié)論

(1)通蘇嘉甬高速鐵路跨越杭州灣，杭州灣及兩岸的工程建設(shè)條件復(fù)雜，區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)特征、交通現(xiàn)狀及規(guī)劃、氣象水文和海底地貌地質(zhì)等自然條件、防洪涌潮規(guī)定、港口航道及海事管控、秦山核電站及生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)等眾多因素控制跨灣通道方案的選擇。

(2)綜合比選4個可能的跨灣通道后，得到了線路短、服務(wù)價值大、建設(shè)技術(shù)成熟、運維成本低、救援難度小、工程投資省的海鹽西方案。

(3)從跨杭州灣橋位與自然條件，港區(qū)規(guī)劃，與港口作業(yè)區(qū)、錨地和附近水上構(gòu)筑物的間距，與航道交角等方面的適應(yīng)性以及規(guī)范符合性等方面，充分論證橋位合理性。