深江铁路珠江口隧道工程线路方案研究

褚 凯， 贺维国， 于 勇

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300000)

0 引言

铁路选线是铁路建设总览全局的核心工作[1-2]。陈晓珠等[3]在沿江高速铁路上海至南通段线路方案研究中，结合主要经济据点、枢纽引入条件和工程投资等因素,进行多方案技术比选,确定了线路方案。纪雪艳[4]在佛山至江门铁路线路走向方案研究中，以尽量兼顾沿线经济据点，充分吸引客流，服务地方经济，尽量绕避风景名胜区、自然保护区等环境敏感点等为原则进行方案研究。谢翠明[5]在深惠城际铁路线路走向方案研究中，采用途经经济据点数量、客流指标、工程数量与投资、运营成本等方面定量比较及客流吸引、城市规划与产业布局、综合交通分布匹配性、运输组织及运营管理、工程实施难度等方面定性分析相结合的方法，确定了线路走向。这些研究为铁路选线提供了宝贵的经验。

然而，在以往的研究中，针对特长海底铁路隧道选线研究较少，如何进行方案技术、经济、风险评估并选择合理方案，是一个亟待解决的问题。本文以深江铁路珠江口隧道为依托，从控制因素分析、越江点位置选择、线路走向选择、海底隧道修建难度、地质选线、工程选线[6-7]、工期及工程投资等方面进行全面研究，最终确定最合理的线路方案，为工程建设创造良好的条件。

1 工程概况

深圳至江门铁路项目[8]位于广东省珠江三角洲地区，线路从规划深圳枢纽西丽站引出，经深圳市、东莞市，其隧道穿越珠江口，经广州市南沙区、中山市、江门市，引入深茂铁路江门至茂名段江门站，线路全长约116.12 km。珠江口隧道位于深圳、东莞、广州三地之间的珠江入海口，是深江铁路控制性工程，采用双线高速铁路标准，设计速度为200 km/h。

2 选线控制因素

2.1 城市规划

工程所处珠江口两岸与本工程相关的城市规划主要有深圳市新兴海洋产业基地、东莞市长安新区、广州市南沙新区及南沙枢纽规划。其中，长安新区将致力塑造珠三角现代服务业新城和国际滨海湾区创新都市，重点打造珠三角地区海洋产业基地、莞深创新金融与总部基地、东莞现代生产性服务业基地三项城市目标；南沙的城市性质为粤港澳全面合作的国家级新区、国家新型城市化综合示范区，内地与港澳、国际接轨的服务平台，珠江三角洲世界级城市群的枢纽性城市；南沙枢纽包含深江铁路，南沙港铁路，广中珠澳铁路，中南虎城际，广州地铁15号线、18号线等，形成衔接粤港澳大湾区的综合交通枢纽。

2.2 航道与航运

工程沿线穿越珠江口多条航道，规划航道[9]等级及底标高见表1。

表1 规划航道等级表

珠江口是我国水上运输最繁忙、船舶密度最大的水域之一。本工程穿越珠江口主航道，也是广州港等珠三角港口群的主航道，是大湾区港口群连接国际航道、通达国内外港口的水路运输大动脉。主要航道2014—2016年船舶日均流量[9]统计如下： 虎门水道约285艘，太平水道约30艘，枕箱水道约200艘，龙穴南水道约17艘。工程选线时应尽量减小对规划航道及航运的影响。

2.3 环境敏感点

工程沿线环境敏感点主要有深圳市海洋新兴产业基地生态湿地、深圳市海上田园风景区、东莞市黄唇鱼保护区、虎门炮台、南沙湿地公园、天后宫等，工程选线时应避让上述环境敏感点[5]。

2.4 地质

工程地质条件[10]极为复杂，勘察显示线路范围存在3组断裂带，南北台水道处有较深的风化槽，花岗岩和片岩受风化影响，岩面线起伏频率较大。最大饱和抗压强度达220 MPa。

不良地质主要有： 断裂破碎带3组，影响长度总计约1 240 m；次生断裂带6条，影响长度总计约120 m； 砂土液化，液化等级为轻微—中等，特殊性岩土为软土、人工填土、残积土与全强风化岩。

3 越江点位置的选择

3.1 珠江口东岸

隧址选择范围位于虎门大桥下游至深中通道上游。虎门大桥下游0～10 km位于东莞市虎门镇及长安新区。以太平水道为界，北侧为威远岛，岛上有威远炮台、海战博物馆等历史文物古迹，是全国重点文物保护单位。太平水道南侧为虎门沙角社区，其振兴西路北侧沿江大堤内多为暂未开发的农田，振兴西路向南分别是沙角炮台、海军训练营地、沙角电厂等，沙角电厂码头至东宝河岸为长安新区管委会的高新技术产业区及规划港区，其中高新技术产业区已引进步步高集团等高新科技企业，沿岸线开发。

东宝河以南为深圳市宝安区，广深沿江高速公路贯穿南北。广深沿江高速公路西侧为沿江滩涂地，东侧由北向南分别为深圳海上田园旅游区，紧邻在建的深圳国际会展中心，向南约3 km为深圳市宝安机场。根据深圳城市规划，海上田园是一个集旅游观光、休闲度假、生态科普、会议培训等多种功能为一体的国家4A级生态旅游度假区；在建的深圳国际会展中心是深圳市布局的空港新城“两中心一馆”3大主体建筑之一，建成后将成为全球最大的展馆，是深圳新地标；深圳宝安国际机场占地面积11 km2，是一个海、陆、空联运的现代化航空港，是世界百强机场之一、中国大陆第5大航空港。

因此，从东莞市城市规划和对文物古迹保护的角度考虑，越江隧道东岸接线应以北不经过威远岛、南不进入长安新区规划港区为佳。从深圳市城市规划和现有交通设施的角度考虑，越江隧道东岸接线应以北不侵占在建的深圳国际会展中心、南不影响宝安机场端净空区为佳。如此，既可绕避珠江口东岸各城镇建成区与规划区，减少拆迁及对城市规划的分割，又可避免对沿岸港区及机场航班的影响。

根据以上分析，东岸选择了2个越江点位置：

1)虎门大桥下游5 km方案，沿振兴西路北侧，从太平水道入海口越江。线路不上威远岛，且远离沙角炮台、海军训练营地、沙角电厂等控制因素，对虎门城镇规划及文物古迹等影响较小。

2)虎门大桥下游22 km方案，从宝安机场跑道以北500 m越江。线路绕避在建的深圳国际会展中心，对机场运营干扰较小，需水中下穿广深沿江高速公路。

3.2 珠江口西岸

隧址选择范围位于广州市南沙区。以凫洲水道为界，北侧为南沙核心区，沿岸自北向南分布有南沙游艇会、规划的南沙国际邮轮码头、南沙客运港等航运码头设施，以及南沙天后宫、大角山海滨公园等风景名胜，沿岸控制因素密集。凫洲水道南侧为龙穴岛，龙穴岛北部现状为冲积滩涂地，远期规划为挖入式港池与集装箱泊位区。龙穴岛中部为广船国际公司造船基地建成区，南部为南沙新港集装箱码头。岛中与岛南间有宽约1 km的结合部，现状为未开发利用地，远期规划为挖入式港池。

因此，从广州市南沙区城市规划和港口建设规划考虑，越江隧道西岸隧址的选择，比较理想的区域应该在南沙岛海滨公园南端至龙穴岛南部之间，结合龙穴岛的开发建设规划，西岸选择了2个越江点：

1)海滨路南侧方案，沿南沙岛岸线，从海滨路南侧越江。线路远离南沙岛核心区规划与建成港口设施，绕避了天后宫、海滨公园景区，对南沙岛的规划与建设无影响。

2)龙穴岛中部方案，经龙穴岛造船基地与南沙新港集装箱码头结合部越江。线路绕避现有造船基地及建成码头，但对远期规划存在一定影响。

4 线路方案

针对珠江口东西两岸越江点位置的研究情况，对南北两侧越江点进行组合构成越江方案，考虑到线路通道走向、工程合理性之后，提出2个方案，其线路方案示意图见图1。

图1 线路方案示意图

1)经南沙岛取直的北线方案。线路出深圳机场东后，向北在沿江高速东侧并行，接入东莞滨海湾站，随后在太平水道处进入珠江口西行，接入规划的南沙站，再继续向西接入中山北站。研究范围线路全长59.30 km，其中，桥梁段全长38.09 km，隧道段全长20.58 km(珠江口隧道全长13.69 km)，桥隧比98.93%。

2)经龙穴岛中穿规划港池的南线方案。线路出深圳机场东站后，线路西行，下穿珠江口，于南沙保税港出口加工区西侧接入南沙站，再继续向西接入中山北站。研究范围线路全长47.64 km，其中，桥梁段全长26.69 km，珠江口隧道全长20.75 km，桥隧比99.58%。

5 方案综合比选

5.1 从串联经济据点方面分析

北线方案串联珠江口两岸深圳、东莞、广州、中山4个重要经济据点，沿线人口密集、经济发达，增加了铁路吸引范围，有利于铁路客流水平[11-12]和盈利能力的提升，经济效益好。

南线方案避开了东莞，无法有效串联粤港澳大湾区重要经济据点，不利于铁路客流水平和盈利能力的提升，经济效益差。

5.2 从线型条件分析

从线路长度来看，北线方案线路长59.30 km，南线方案线路长47.64 km，南线方案线路长度较北线方案线路长度短11.66 km。

从线型指标来看，南北线方案在研究范围内曲线半径都能满足时速200 km的技术要求。北线方案研究起点处曲线半径为1 200 m，但该处曲线位于机场东站出站端，采用的曲线半径与路段速度匹配。故2个方案的线型指标基本一致。

5.3 从珠江口隧道工程分析

珠江口隧道是本段线路比选最重要的控制工程，海底隧道工程的安全性、结构设计合理性、施工工期等直接影响着方案的选择。广深港客运专线狮子洋隧道已建成通车，其长距离盾构掘进及“地下对接、洞内解体”技术[13-14]对本工程隧道方案研究具有借鉴作用。

5.3.1 北线隧道方案

隧道全长13.69 km，采用单洞双线方案，水域段两端采用盾构法施工，中间硬岩段采用矿山法施工，采用2台复合式泥水平衡盾构分别从两端盾构井始发，至海中矿山、盾构工法分界处解体。单台盾构穿越“上软下硬”地层651 m、全断面硬岩838 m，矿山段隧道下穿断裂带、穿越2处构造角砾夹泥段。总工期约54个月。北线隧道纵断面见图2。

图2 北线隧道纵断面图(单位： m)

5.3.2 南线隧道方案

隧道全长20.75 km，采用单洞双线方案，水域段两端采用盾构法施工、中间硬岩段采用矿山法施工，采用2台复合式泥水平衡盾构分别从两端盾构井始发，至海中矿山、盾构工法分界处解体。单台盾构穿越“上软下硬”地层783 m、全断面硬岩1 880 m，矿山段隧道需穿越3条大型断裂破碎带1 350 m。总工期约68个月。南线隧道纵断面见图3。

图3 南线隧道纵断面图

5.3.3 隧道方案比选

5.3.3.1 隧道规模

南线方案海底隧道长度较北线方案长7.06 km，其中水下段长度长3.46 km，详见表2。

表2 隧道规模对比表

5.3.3.2 越江段地质条件

2个线位的地貌单元均为珠江三角洲平原，覆盖层成份基本相同，上部以全新统海陆交互相沉积为主，由软土、砂土组成； 下部由上更新统黏性土、砂砾石层组成，底部有薄层残积土。北线位基岩为白垩系白鹤洞组含砾砂岩、燕山期花岗岩、元古界的片岩；南线位基岩主要为元古界的片岩、燕山期花岗岩。具体对比分析见表3。由表可见，通过地形地貌、地层岩性、地质构造、地下水、不良地质与特殊性岩土等地质条件[15]综合对比，北线方案优于南线方案。

表3 地质对南、北线隧道方案影响对比表

5.3.3.3 施工难度与风险

北线方案单台盾构穿越“上软下硬”地层651 m、全断面硬岩838 m，刀具磨损大，换刀频繁。矿山段隧道下穿断裂带、穿越2处构造角砾夹泥段，围岩自稳能力差、渗透性强，存在突水、涌泥风险。

南线方案单台盾构穿越“上软下硬”地层783 m、全断面硬岩1 880 m，盾构段风险稍大于北线。矿山段海底隧道施工长度达16.3 km，其施工难度与风险明显高于北线方案。

5.3.3.4 防灾疏散

北线方案隧道封闭段长度小于20 km，无需设置救援站，只在隧道中部的南沙岛尖结合斜井设置1处避难所。隧道两侧设置疏散通道，满足相关疏散功能要求。

南线方案隧道封闭段长度大于20 km，利用施工平导设置紧急救援站1座、斜井设置避难所2座，满足相关疏散功能要求。

5.3.3.5 运营养护

隧道为限排防水，造成干湿交替环境，海水腐蚀等级较高，对结构及管路的耐久性要求高，后期维护成本大。

北线方案矿山法段按限排要求，每天排水量约2 000 m3，每年排水费用约为360万元。

南线方案矿山法段按限排要求，每天排水量约7 600 m3，每年排水费用约为1 400万元，远高于北线方案。

5.3.3.6 港口影响

北线方案避开沙角作业区和南沙游艇码头区，对港口无影响。

南线方案下穿龙穴岛规划的港池及码头，对后期港池的实施影响较大。

5.3.3.7 隧道方案比选结论

综上所述，南北线隧道方案技术上均可行，但北线隧道方案长度远小于南线方案，其面临的地质风险、施工风险、防灾疏散、运营养护、对港口影响、工期等方面均优于南线隧道方案。

5.4 从城市规划方面分析

北线方案南沙站位置与城市规划相符，车站与各组团中心距离在0～15 km，旅客出行方便。

南线方案南沙站位于规划南沙站南侧5.0 km处，车站与各组团中心距离5～20 km，偏于万顷沙岛南端，与城市中心距离较远，与城市规划不符。

5.5 从城市轨道交通体系方面分析

北线方案南沙站处规划有广州地铁18号线及15号线，并设站与深茂铁路南沙站衔接换乘。南沙站还有在建的南沙港铁路、规划的广中珠澳铁路、中南虎城际、肇顺南城际铁路引入形成南沙综合交通枢纽。本线车站位于城市几何中心，有利于形成中心向四周辐射的交通衔接体系，各向与城市中心之间沟通距离均等，且距离较近。

南线方案在规划的南沙枢纽南侧5 km设站，车站中心南移会导致其他交通体系跟随南延，形成大量客流、车流穿城而过的效应，增加旅客出行距离，增加中心城区交通压力，不利于其他交通方式衔接。

5.6 从环境影响方面分析

北线方案在深圳段位于湿地保护区范围内，需协调调整湿地范围；隧道穿越黄唇鱼保护区，需专题论证。

南线方案地面段距离南沙湿地公园最近处7.8 km，对湿地影响较小；经过中山大丰水厂饮用水源二级保护区，在水源保护区内采用大跨度桥梁通过，对水源保护区影响小。

5.7 从工期及工程投资方面分析

北线方案线路长59.30 km，工期54个月，投资估算约165.57亿元。

南线方案线路长47.64 km，工期68个月，投资估算约141.3亿元。

5.8 综合比选

综合以上分析，北线方案与南线方案综合比选如表4所示。

表4 综合比选表

综上所述，北线方案串联了珠江口两岸深圳、东莞、广州、中山4个重要经济据点，增加了铁路吸引范围，有利于铁路客流水平和盈利能力的提升；从社会效益来看，采用北线方案可以更好地强化湾区内部城市之间交通联系，有助于东莞、南沙更好地参与构建高效便捷的现代综合交通运输体系，有助于东莞、南沙地区各种运输方式的合理衔接，一体高效，为沿线居民绿色出行创造便利条件；北线方案珠江口隧道长度较南线方案短7.06 km，较南线方案的工期短14个月，施工难度及风险明显更低，养护维修、运营条件相对较好；虽然线路长度较南线方案长11.66 km，投资较南线方案多24.27亿元，但从铁路服务于沿线社会经济发展角度来看是必要的，因此，本工程推荐采用北线方案。

6 结论与建议

1)本文充分分析了特长海底隧道选线控制因素，选择了珠江口两岸合适的越江点，提出了虎门太平水道入海口越江的“深圳—虎门—南沙”北线方案及在深圳宝安机场跑道以北500 m越江的“深圳—南沙”南线方案。

2)南北线隧道采用“盾构法+矿山法”组合工法方案，技术上均可行，但从隧道规模、地质、施工难度及风险、防灾疏散、运营养护、对港口影响、工期及投资等方面综合比选，北线隧道方案具有明显优势。

3)北线方案串联粤港澳大湾区，经济效益好；符合城市规划，有助于东莞、南沙更好地构建高效便捷的现代综合交通运输体系； 北线方案具有明显优势；虽然投资较南线方案多24.27亿元，但从铁路服务于沿线社会经济发展角度来看是必要的，因此，本工程推荐采用北线方案。

4)考虑到珠江口隧道规模大、地质复杂、风险高，建议后续设计中结合详勘进一步优化北线线路方案，降低施工难度、减小施工风险，确保工程顺利实施。