沪通铁路跨越长江桥隧方案比较研究

白慧明

(中国国际工程咨询公司，北京 100048)

1 上海至南通铁路概况

沪(上海)通(南通)铁路位于长江三角洲地区,北起江苏省境内宁启铁路的南通站,经南通东站往南,于在建的苏通公路大桥下游8 km左右处越长江至太仓后,分别接入浦西与浦东,即往南接入京沪铁路安亭站,同时往东经杨行、外高桥、浦东接入浦东铁路四团站,线路全长约225 km,其中,江苏省境内约103 km,上海市境内约122 km。本项目还包括在上海枢纽内的张庙、芦潮港联络线及南何支线金港巷至北郊段第二线等上海枢纽内相关工程。根据《中长期铁路网规划(2008调整)》,本项目是完善中东部路网结构、提高地区经济发展适应能力的干线铁路,是南通—上海—宁波铁路的组成部分。

2 越长江工程概况

越长江工程是本项目的控制工程,位于长江下游徐六泾节点段,上接狼山沙水道,下连白峁沙水道,越江处江面宽约8 km。该区域有供海轮及3 000 t以上江轮使用的白茆沙南水道(海轮航道)、3 000 t以下船舶使用的白茆沙北水道(江轮航道)、北支航道和专用航道,通航水域较宽。越江处地质条件较差,基岩埋深在300 m；最大冲刷深度达35 m；河势演变复杂。该处水道规划有徐六泾节点整治工程,包括新通海沙圈围工程、白茆小沙圈围工程、白茆沙护滩潜堤工程。

3 跨越长江桥梁方案研究

3.1 桥址方案的选择

拟建桥位可选地段位于长江澄通河段通常汽渡至海太汽渡间约16 km范围内。在该范围内研究了苏通公路大桥下游6 km和8 km方案,2个方案桥位处局部河岸及水深条件、通航要求基本相同,工程投资相差不大,其中苏通公路大桥下游6 km桥位方案距各汇流口距离适中,河床相对较稳定,水文工程条件相对较好,但该方案对两岸城市建设及规划港区、岸线影响较大,不予推荐。苏通公路大桥下游8 km桥位方案,南岸走在常熟和太仓两市交界范围内,对城市影响较小,北岸也选择在规划地块的边缘,减少了对城市规划的影响。从减少对两岸城市规划和沿江港口码头规划影响的角度考虑,推荐采用苏通公路大桥下游8 km桥位方案。

3.2 桥梁方案的研究

推荐的桥梁方案位于苏通公路大桥下游8 km处,通航净高62 m,单孔单向通航净宽504 m。主桥桥型研究了三塔斜拉桥2×588 m(单向通航)、五塔斜拉桥4×588 m(单向通航)、两塔斜拉桥1 008 m(双向通航)、双主跨悬索桥2×1 008 m(双向通航)4个方案,推荐采用三塔斜拉桥2×588 m(单向通航)方案,主桥长度18.7 km。主梁拟选用钢箱桁结合梁,倒梯形截面、三角桁式。主塔选用混凝土钻石形索塔,采用沉井基础。拟采用“上部结构边跨采用大节段吊装,中跨节段悬臂架设”的施工方案。桥梁推荐方案(限制坡度6‰)桥梁部分工程投资为74.37亿元。

3.3 桥梁相关专题的研究工作

主桥桥型三塔斜拉桥2×588 m为大跨度铁路斜拉桥,技术较为复杂。为深入研究桥梁方案,设计单位委托交通部天津水运科学研究所、南京水利科学研究院和武汉理工大学等单位编制《上海至南通铁路沪通长江大桥通航净空尺度及技术要求论证研究报告》,并于2007年1月交通部长江航务管理局主持召开“上海—南通铁路沪通长江大桥桥梁方案通航净空尺度和技术要求研讨会”,形成了会议纪要。与会部门及专家原则同意桥位方案,要求进一步研究桥址河段的河床演变情况,研究确定通航孔的覆盖范围,桥式方案可按单孔单向的标准、多孔通航的原则考虑。同时开展以下通航专题研究工作：表流迹线、船筏走行线观测资料；实船试验及船舶航行数值模拟资料；河床演变分析资料；通航净空尺寸及技术要求论证资料；桥型方案研究等。

4 跨越长江隧道方案研究

4.1 隧址方案的选择

隧址选择研究苏通公路大桥下游8、9、10 km 3个方案,推荐苏通公路大桥下游9 km方案。该方案经过海门滨江新城及太仓鹿河镇以西未开发地区,拆迁工程不大,对城市干扰相对较小,对海门通海沙规划港区及常熟白茆小沙规划港区无影响；且该处隧址水文条件较好,越江隧道长度短,工程投资省,并且可结合规划的白茆小沙圈围整治工程(实施时机有待进一步落实)布置竖井,减轻盾构施工江中对接的难题,减少运营通风及防灾救援距离。

4.2 隧道方案的研究

隧道过江方案研究了双孔单线结构(13‰、6‰)方案、单孔双线无中隔墙结构(13‰、6‰)方案、单孔双线设中隔墙结构(6‰、13‰)方案等共6个方案进行比较,推荐采用单孔双线无中隔墙13‰方案,隧道建筑长度12.115 km,隧道外径13.55 m,管片厚度0.575 m。拟采用盾构法进行施工,拟采用白茆小沙设盾构吊出工作井的施工方案。隧道推荐方案(限制坡度13‰)隧道部分工程投资约为53.7亿元。

本隧道方案的隧道埋深及主要施工方案均以长江徐六泾河道整治工程实施为前提,若白茆小沙圈围成岛工程不能提前实施,则在白茆小沙设置江中竖井方案难以实现,给隧道江底对接、通风及救援方案带来一定的不确定性,下阶段还需补充研究河道进行系统整治以及白茆小沙圈围成岛工程不能先期建成的前提下,河道冲刷对隧道的埋深、江中竖井的布置方案的影响。

4.3 隧道相关专题的研究工作

设计单位委托长江水利委员会编制了《工程附近水域河势演变分析专题研究报告》、《平面二维水流计算分析专题研究报告》和《河床冲刷高程数值模拟研究报告》。开展以下专题研究工作：控制隧底沉降的加固措施；地基可能液化对隧道埋深及隧道稳定性影响分析资料；隧道内防灾接援方案等。在考虑徐六泾节点整治工程实施的前提下,预测了隧址位置的最大冲刷深度,并结合了白茆小沙圈围工程布置竖井,以减少隧道施工江底对接的难度。

5 桥隧方案综合比选

我们对上海至南通铁路越江桥隧方案进行了深入的研究,从通道资源布局的合理性、技术方案的可靠性、抗灾能力、通风条件、工程投资、工程实施的外部条件和风险控制等方面进行研究论证(表1),分述如下。

(1)在通道资源合理利用方面

桥梁方案在增加投资不多的情况下,根据需要可以合建(或预留)公路或兼顾其他交通功能,既可改善铁路桥梁的运营性能,又能实现通道资源共享。而隧道方案受其结构断面的限制,存在交通功能单一的缺陷,且不具备开行双层集装箱列车的条件。

(2)在技术方案的可靠性方面

桥梁技术应用广泛,桥梁方案设计和建造技术相对成熟,可参照借鉴的工程实践较多,已建成的武汉天兴洲公铁两用长江大桥主跨采用504 m斜拉桥,上游8 km的苏通公路长江大桥主跨为1 080 m,均可为本方案的实施提供有利的技术参照,可靠性相对较高,但桥跨方案还需结合航道标准的论证进一步研究。国内越江铁路隧道的设计及建造技术储备相对不足,目前尚无铁路过江隧道可参照的工程实践,长大隧道的断面结构形式、通风技术方案、防灾疏散通道的设置、沉降控制以及高速列车通过隧道时的减压措施等技术方案还需结合工程深入研究。

(3)在运输组织、通风条件以及抗灾能力方面

桥梁方案(限坡6‰)具有运营条件好、运输效率高与沿江通道组成部分相符的优点；通风条件好,应对火灾、地震等偶发灾难性事故实施易于救援。桥梁方案近期采用内燃过渡,远期内燃可节省初期投资,提高效益。隧道方案(限坡13‰)需在27.3 km越江范围内双机需循环取送,不仅需增设货车补机点,增加运营支出,而且降低沿江通道的输送能力。隧道方案通风条件差,常年通风费用高；应对火灾、地震等偶发灾难性事故实施救援难度相对较大。由于长大隧道通风困难要求必须采用电化方案,周围相关线路也需同步电化。

(4)工程投资方面

桥梁方案(限坡6‰)采用主跨2×588 m三塔斜拉桥方案,工程投资为74.37亿元；隧道方案(限坡13‰)采用单孔双线无中墙方案,工程投资为53.7亿元。隧道方案的埋深及设置江中竖井方案受河道整治工程的影响较大,加之国内尚无铁路越江工程概算定额,本阶段参照公路越江工程概算定额进行估算,因此隧道方案的工程投资下阶段还需结合隧道限坡的选择(6‰或13‰)进一步研究落实。

(5)在工程实施的外部条件方面

桥梁方案两岸引桥高架,联络灵活,便于陆上土地综合开发利用,对城市规划的影响相对较少；但对规划的通海、白茆小沙等港区及深水岸线有一定的影响；由于该处船舶密集,施工及运营期对通航有一定影响,对恶劣气候条件反应相对敏感。而隧道方案对港区、岸线及通航基本无影响,两岸隧道出口需设置长3.6 km深挖路堑过渡段,对城市规划有切割,影响两岸陆地综合利用开发；隧道方案受徐六泾河道整治工程的影响较大。桥隧方案占用土地数量相当。

(6)在风险控制方面

桥梁技术应用广泛,桥梁方案设计和建造技术相对成熟,可参照借鉴的工程实践较多,在建设方案、建设工期、投资控制等方面风险相对较小。桥梁运营风险主要集中在风灾、地震等。风灾对桥梁上高速运营的列车安全有所影响,须采取措施使风对桥梁运营的影响处于控制范围之内。区域地震基本烈度为6度,地震对桥梁运营的影响主要在于地震时可能引起列车脱轨等事故。

隧道设计风险有地质勘察的准确性以及河床演变引起的最大冲刷深度对隧道覆土厚度及抗浮稳定的影响,以及由此带来建设方案、建设工期、投资控制等方面风险。隧道施工中的盾尾密封失效、长距离施工换刀、江中对接、横通道和江中泵房施工风险为不可接受风险,必须采取措施予以防范。隧道运营中风险主要为火灾和地震。

(7)在环境影响与节约能源方面

隧道方案主体工程位于江底,除隧道弃砟、隧道出口过渡段切割地面,对交通、水文及土地综合利用有影响外,对环境基本无影响,环境较为友好。但隧道方案需常年照明通风,且需双机牵引,在节约能源方面与桥梁方案相比存在不足。

(8)在水文、河势和航运影响方面

隧道方案对水文、河势和航运等基本无影响；桥梁方案对水文、河势和航运等有一定影响,需在设计方案中研究减少影响的措施和方案,可研阶段还需进一步征求相关主管部门的意见。

表1 穿越长江桥梁、隧道方案综合比较

6 比选结论

经以上综合比较,初步认为上海至南通铁路越江采用桥梁方案更为有利,但本项目越江地段属于长江口黄金水道,船舶密集,地质条件差,河道冲刷深,河势演变复杂,过长江方案宜慎重选择,鉴于预可研阶段研究深度的限制,仍有大量比选工作需要深入开展,并需充分考虑交通、航运、水利等部门意见。因此建议桥隧方案在可研阶段还需在以下方面进一步分析比较：一是技术方案的可靠性,包括设计与施工的风险分析、实证经验及抗灾能力等；二是工程实施的外部条件,包括方案对行业和地方规划的符合性及对港口、码头及城市规划的影响，以及进一步落实徐六泾河道整治方案如不能先期实施对桥隧设计方案的影响；三是运输组织方面,包括运输组织的机动灵活性、运输限制、养护维护要求等；四是投资规模方面,建议桥隧方案采用相同的限制坡度进行同精度技术经济比较(包括全生命周期成本及相关工程费用)。

[1]中铁第四勘察设计院集团有限公司.上海至南通铁路预可行性研究报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2007.