通苏嘉甬高速铁路跨杭州湾通道选择及桥位论证

2021-03-10徐洪权别业山蔡君君

铁道勘察 2021年1期

徐洪权张雷张建别业山蔡君君

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308； 2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430056)

跨杭州湾通道是南通至苏州至嘉兴至宁波高速铁路浙江段的重难点控制性工程，杭州湾两岸分别为嘉兴市和宁波市。嘉甬通道范围内，目前已建成两座公路桥，即杭州湾跨海大桥和嘉绍大桥，吕忠达等对杭州湾大桥的特殊建设条件进行了充分研究论证[1-2]。

我国大型交通通道和跨江跨河工程建设前，无一例外都需要开展充分的前期论证，刘新华等从规划、路网、水文、河道演变、防洪、通航航运等方面，研究了跨海大桥的桥位选择、流速计算、设计施工、风险评估等，为项目决策和工程建设奠定基础[3-10]。

本线为高速铁路[11-12]，具有联网运量大、列车荷载大、运行速度高、结构刚度大、沉降要求高、投资大等特点，为全面把握本线的功能定位、运量水平、技术标准和线路走向，稳定跨湾通道和桥位等工程建设方案，加快项目可行性研究报告的编制及批复，在项目前期，策划并开展了跨湾运量预测与开行方案、嘉甬段接轨及线路走向方案等4项支撑性专题和海洋水文观测、水下地形测量、表流迹线和航迹线观测、气象观测与风参数、海床冲淤演变、潮流泥沙数模及物模、与秦山核电站相容性、航道通航影响评价、海域使用论证等37项涉海专题研究。

以下着重分析影响通苏嘉甬高速铁路跨杭州湾通道选择的主要控制因素，得到4个可能的跨湾通道线位，然后根据港航和核电相关要求进行深入分析，并论证桥位的合理性[13-15]。

1 项目概况

通苏嘉甬铁路位于长三角城市群中心地区，为南北向铁路，是中长期铁路网沿海通道的组成部分、长三角城市群城际交流的重要城际骨干线路，是一条路网客流和城际客流并重的高速铁路，设计速度为350 km/h，全长约310 km。

线路需跨越杭州湾，杭州湾位于中国浙江省东北部，是我国最大的喇叭口形海湾，也是世界著名的强潮海湾。本线跨海段长20～30 km，海底地形冲淤变化复杂，表流迹线年际变化大，气象水文条件恶劣，港口岸线锚地众多，航道密集，通航要求高，通道内密集分布有海盐港区、秦山核电站、钱塘江涌潮起潮点、海盐县城及山水六旗、南北湖风景区、千亩荡水源保护区、海盐县生物多样性生态保护区、杭州湾国家级湿地保护区、方特乐园等重要控制因素，这些都直接影响跨湾通道选择和桥位论证。

2 跨杭州湾通道主要控制因素

跨杭州湾通道方案选择受区域社会经济特征、区域交通现状及规划、秦山核电站、气象水文地质等自然条件、港口航道和海事、生态环境敏感区等主要控制因素影响(如图1)。

注：①海盐港区；②航道；③秦山核电站；④钱塘江涌潮点；⑤海盐县城；⑥南北湖风景区；⑦千亩荡水源保护地；⑧海盐县生物多样性生态保护区；⑨杭州湾国家湿地公园生态保护区；⑩余姚市规划工业区；方特乐园。图1 跨杭州湾通道主要控制因素示意

2.1 区域社会经济特征

杭州湾两岸区域是长三角地区的重点区域，是我国综合实力最强的地区之一，具有经济据点多且分布密集、人口聚集效应明显、经济发展地位突出，人员交往频繁，出行需求旺盛等特征。作为全国百强县市的海盐县和慈溪市以及杭州湾新区，目前均无铁路通过，项目建设将提升跨湾铁路服务的骨干作用，助力区域发展战略升级，推进与周边城市协同发展。

2.2 区域交通现状及规划

目前，环杭州湾地区沪甬间铁路均需绕行杭州，旅行时间长，杭州枢纽交通压力大。现状公路通道主要有杭州湾跨海公路桥和嘉绍大桥，目前两桥拥挤度低、服务水平高、通行能力充裕，但由于过湾通道交通总量持续快速增长，预计将在未来10年趋于饱和，需要新的跨湾通道。

2.3 秦山核电站

秦山核电站是中国自行设计、建造的第一座核电站，根据《核动力厂环境辐射防护规定》，其规划限制区半径不得小于5 km。工程建设不得进入规划限制区，且需要考虑水动力条件改变对核电站取排水口海域的水下地形、液态流出物扩散及温升和生态的影响。因此，跨杭州湾线位通道必须绕行在核电站规划限制区范围以外，并需分析工程建设对核电站取排水口的影响。

2.4 自然条件

(1)气象、水文条件

沿线所经地区属亚热带季风湿润气候区，季风活动频繁、冬夏季风交替显著，雨涝、台风、连阴、冰雹、大雪等灾害天气时有出现。极端最高、最低气温为42.4 ℃和-11.9 ℃。沿线气象站百年最大风速范围为36.4 ～40.1 m/s，经数值模拟分析，建议最终的百年一遇风速取40 m/s，年均6级及以上大风天数取74 d。

杭州湾喇叭口水域潮汐与径流并存，以潮汐作用为主，为非正规半日浅海潮，平均水深5～10 m，水深条件不理想。百年设计最大断面垂线平均流速为4.56 m/s，最大潮差达8.96 m，设计波高6.9 m。

(2)海底地形及海床演变稳定性

工程河段总体属冲、海相地貌，海床面较为平坦，呈持续累积性淤积并渐趋稳定态势，但河口涌潮汹涌，潮高流急，易冲易淤，主槽摆动无常，冲淤幅度较大，滩槽演变复杂。

历史上，杭州湾的演变以北冲南淤为总体特征，南岸淤涨，北岸在涨潮流和东南向强浪作用下，岸线侵蚀。随着两岸治江围涂的结束，将维持喇叭形河口形态。

(3)防洪、涌潮

工程两岸登陆点跨越Ⅰ、Ⅱ级堤防，依据《浙江省涉河桥梁水利技术规定》，工程阻水面积百分比不宜大于5%，不得超过7%。

依据《钱塘江涌潮影响评价技术规定》，单体工程建设后控制点涌潮高度的变幅应控制在1%以内，叠加累积影响应控制在4%以内。

(4)工程地质条件

地层主要有海相及冲海相淤泥质土、黏性土、粉土及砂土。海相淤泥层厚度为20～40 m，基岩埋深超过110 m，海水具有高腐蚀性，且初勘期间，主要成分为甲烷的浅层气喷发概率接近30%，工程建设需采取措施，地质条件总体较差。

2.5 港航和海事要求

工程所属嘉兴港海盐港区有10 000 t级海盐进港航道和杭州至乍浦航道，3 000 t级杭州至外海航道，3条航道均沿着不规则的冲刷深槽，固定性差且纵横交错，港航和海事部门对工程建设的风险管控极其严格。

2.6 生态环境敏感区

杭州湾及两岸的生态敏感区众多，包括钱塘江河口海洋生态红线区、南北湖风景区、千亩荡水源保护地和海盐县生物多样性生态保护区等，尤其是南岸的杭州湾湾国家湿地公园及生态红线的管控类别为禁止开发，建设项目需绕避。

3 跨杭州湾通道线位方案

根据以上通道主要控制因素分析，秦山核电站是控制通道线位的最关键因素，本项目线位方案必须以绕避核电站规划限制区5 km范围为基础，开展方案研究。综合国内外建设经验，跨海通道主要考虑通道规划、气象水文、海床演变、防洪涌潮、港口海事、通航航空、施工及运维成本、疏散救援等因素，宜选择技术成熟、风险可控、工程造价低的桥梁、隧道或是桥隧结合等方式，遵守“宜桥则桥、宜隧则隧”原则。

结合两岸经济据点、高等级公路和重大交通设施、重大电力线和地下管线、地震台站、城市规划、特殊地质等，拟选出海盐东、海盐西、澉浦东、澉浦西共4个线位方案，如图2所示。

图2 跨杭州湾通道线位方案示意

(1)海盐东方案

考虑本线为铁路沿海通道组成部分，线路应尽量顺直，且应便于带动海盐县东侧开发，研究远离秦山核电站规划限制区的海盐东线位方案，但其穿越嘉兴港海盐港区核心区域，仅能以规模巨大的32 km长海底隧道通过，需要在海中设置人工岛一座，技术难度高，防洪审批困难，工程投资大，且该方案需新建嘉兴东站(无法引入嘉兴南站，与嘉兴市总体规划不符)，亦不满足沪甬间直连直通的客运需求，故予以舍弃。

(2)澉浦东方案

该方案自嘉兴南站引出后至慈溪，兼顾服务海盐县，靠近航空线，线路短直，但其位于澉浦浅滩，海床冲淤幅度大，滩槽摆动频繁，引起航道桥布置困难，特别是北岸需穿过秦山核电站及其规划厂址的5 km规划限制区，只能以27.1 km长隧道方式通过，海中需设置人工岛，技术难度高，防洪审批困难，对核电区域淤积及温排水扩散等影响较大，隧道施工和运营对核电站内部设施也存在较大安全隐患，故研究后予以舍弃。

(3)海盐西和澉浦西方案

嘉兴南至慈溪间，绕行于核电5 km规划限制区以外的有海盐西和澉浦西方案，两方案综合比选见表1。

表1 跨杭州湾通道线位方案比选

由1表可知，澉浦西方案线路长，展线系数高，不符合项目功能定位；隧道盾构独头掘进距离长，存在浅层气影响，海底对接风险高；后期运营维护成本高，救援难度大；工程投资较高、施工难度较大、且工期较长。海盐西方案线路短，经过无高铁覆盖的海盐县、慈溪市和杭州湾新区，客流吸引能力强，线站位符合地方规划，综合开发价值大；桥梁桥面空间开放，后期运维成本低，救援难度小；工程投资较小，工程难度较小，工期短且可控。

综上，推荐海盐西方案以桥梁形式跨越杭州湾。

4 海盐西桥位适应性论证

4.1 自然条件适应性

(1)河道演变适应性

根据海床演变分析，越往下游的工程区域，水深条件越好，河床越稳定，对于通航越有利。从水深条件、深泓稳定性、冲淤幅度及航槽稳定性等海床条件对比分析，海盐西方案北岸深槽深泓平面摆动较小(约180 m)；秦山-乍浦通道深槽以及南支主槽摆动相对较大，但水深条件良好，海床高程随深泓线变化较小。建桥的宏观海域条件好，为桥梁建设和通航孔布设提供良好的海域条件。

(2)杭州湾表流迹线适应性

在综合各种因素优化桥轴线法向与水流夹角后，如图3所示，北岸水域(中航道桥以北)桥轴线法向与水流夹角基本控制在4°～9°，中航道桥-南航道桥区域桥轴线法向与水流夹角基本控制在6°以内，受南岸杭州湾国家湿地公园生态红线的影响，南航道桥以南桥轴线法向与水流夹角略大，基本控制在10°以内，南岸登陆点附近的高滩水域以漫滩流为主，流向复杂，且流速相对较小，对防洪和涌潮影响较小。

图3 桥轴线与水流关系(涨潮)

4.2 港口、航道相关适应性

(1)港区规划符合性

桥位位于嘉兴港海盐港区秦山通用与预留发展区(E区)北侧300 m处，为城市生活和大桥保护岸线，符合《嘉兴港总体规划(2017-2030)》。

(2)与港口作业区、锚地的安全距离

桥位附近上游370 m处有华电能源1 500 t级液化气码头，下游540 m处有1 000 t级航标站和海事码头，间距均满足《海轮航道通航标准》中“跨越航道建筑物与沿海港口作业区的安全距离不应小于码头代表船型总长的2倍”等规定。

桥位距离下游海盐锚地(规划)2.7 km，白塔山锚地5.2 km，间距均满足《海轮航道通航标准》中“4倍锚泊船型长度”(约600 m)的要求。

(3)与航道关系

为保证桥区通航安全，结合习惯性航路对海盐港区规划航路进行了调整。航路调整后，桥轴线与北、中、南航道均正交，满足规范和航道通航影响评价要求。

4.3 附近水上构筑物间距适应性

本工程桥位北、南通航孔分别与杭州湾北、南通航孔对应布置，中通航孔覆盖乍浦-秦山的潮汐通道布设。

选取代表船型，其中10 000 t级杂货船船长为146 m，桥区航速取5.14 m/s，叠加潮流泥沙数学模型研究得到的建桥后航道内最大流速3.6 m/s，则船舶可能最大实际航速为8.74 m/s，则轴线间距应大于2 768 m。桥位距离下游杭州湾公路跨海大桥约6 km、上游嘉绍大桥约35 km，均满足规范要求的5 min航程要求，并经船舶操纵模拟试验，3个通航孔均能较好适应两桥间的船舶通航。

综上，海盐西桥位对海床演变、防洪涌潮影响较小，亦满足港航规范及规划要求，桥位适应性良好。