城市軌道交通過(guò)江通道敷設(shè)方式研究

趙 強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢∥高級(jí)工程師)

武漢、重慶、南京等被長(zhǎng)江分隔的特大型城市，其過(guò)江交通仍然是城市交通的瓶頸，給長(zhǎng)江兩岸人們的交流造成較大障礙。軌道交通的發(fā)展很好地解決了過(guò)江交通不便的問(wèn)題，但卻也衍生出新的難題，即過(guò)江軌道交通線路應(yīng)該采用何種敷設(shè)方式建設(shè)。敷設(shè)方式的影響是多方面的，涉及了工程造價(jià)和后期運(yùn)營(yíng)成本[1]，同時(shí)也會(huì)對(duì)城市景觀、施工工期、沿線建(構(gòu))筑物等產(chǎn)生不同影響。由此可見(jiàn)，軌道交通過(guò)江通道敷設(shè)方式的研究是城市軌道交通建設(shè)過(guò)程中的一項(xiàng)重要課題。

1 我國(guó)城市軌道交通過(guò)江通道概況

1.1 過(guò)江通道分類(lèi)

目前，過(guò)江通道可以從用途和敷設(shè)方式兩個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)過(guò)江通道用途不同，可以將其分為單一功能過(guò)江通道(僅包含公路、鐵路、城市軌道交通或城市道路中的一種功能)和復(fù)合功能過(guò)江通道(包含公路、鐵路、城市軌道交通及城市道路中至少兩種功能)；根據(jù)敷設(shè)方式的不同，分為地下過(guò)江通道(隧道形式)和高架過(guò)江通道(橋梁形式)兩種。

1.2 我國(guó)軌道交通過(guò)江通道情況

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年底，我國(guó)長(zhǎng)江干線已建成過(guò)江通道108座，另有41座過(guò)江通道正在建設(shè)中。其中，含城市軌道交通功能的過(guò)江通道共15座，主要集中在重慶、武漢、南京等特大型過(guò)江城市。在通道敷設(shè)方式的選擇上，重慶以橋梁為主，南京和武漢以隧道過(guò)江居多[2]。

對(duì)于所有需要建設(shè)軌道交通過(guò)江通道的城市，勢(shì)必遇到如何選擇合理敷設(shè)方式的問(wèn)題。因此，有必要針對(duì)過(guò)江通道敷設(shè)方式的選擇，在已有成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道交通過(guò)江通道本身特點(diǎn)，系統(tǒng)梳理其影響因素，明確不同敷設(shè)方式的適應(yīng)性，為不同城市的軌道交通過(guò)江通道選擇敷設(shè)方式提供參考和借鑒。

2 影響過(guò)江通道敷設(shè)方式選擇的關(guān)鍵因素

城市軌道交通過(guò)江敷設(shè)方式主要有地下和高架兩種，兩種敷設(shè)方式的環(huán)境適應(yīng)性、實(shí)施重難點(diǎn)、工期和建設(shè)成本等均存在一定差異。不同城市過(guò)江敷設(shè)方式的選擇也各具特點(diǎn)：對(duì)于地勢(shì)起伏較大的山城重慶，如重慶3、6號(hào)線，長(zhǎng)江兩岸與江面高差較大，結(jié)合過(guò)江通道的位置采用與城市道路合建高架敷設(shè)過(guò)江，結(jié)合兩岸地勢(shì)及規(guī)劃銜接條件，兩岸車(chē)站采用地下敷設(shè)；而對(duì)于武漢和南京這類(lèi)長(zhǎng)江兩岸地勢(shì)相對(duì)平坦的城市，位于主城區(qū)的已建軌道交通線路(如武漢2、4號(hào)線，南京3、10號(hào)線)均采用地下過(guò)江，兩岸車(chē)站也同樣采用地下敷設(shè)。過(guò)江通道選擇合理的敷設(shè)方式對(duì)控制施工風(fēng)險(xiǎn)、降低社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)及合理配置資源有著積極作用。本文將從過(guò)江通道特點(diǎn)出發(fā)，分析過(guò)江通道敷設(shè)方式選擇的關(guān)鍵因素，從而給出確定過(guò)江通道敷設(shè)方式的相關(guān)建議。

2.1 通道位置的選擇

在確定過(guò)江通道敷設(shè)方式前，首先需明確過(guò)江通道的工程選址。采用不同的敷設(shè)方式過(guò)江，選擇通道位置時(shí)考慮的側(cè)重點(diǎn)不同。主要需從河道條件、通航條件、港口布局、與沿河其他構(gòu)筑物的相互關(guān)系幾方面統(tǒng)籌考慮，并在相關(guān)規(guī)劃的指導(dǎo)下，征得水務(wù)、河道等相關(guān)管理部門(mén)同意。結(jié)合通航環(huán)境、河床演變情況及其他相關(guān)基礎(chǔ)資料，綜合分析通道位置與河道條件和通航條件的符合性。

2.1.1 河道條件的符合性分析

根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃中過(guò)江段所處的地理區(qū)位，明確過(guò)江段河道條件，包括長(zhǎng)江兩岸堤壩間距、江面寬度、百年一遇洪水位、河床極限沖刷深度、有無(wú)江洲及其穩(wěn)定性、通航水域位置等。圖1為某城市河道環(huán)境示意圖，包含了河道、航道和水下管線等情況。

圖1 某城市河道環(huán)境示意圖

對(duì)于高架敷設(shè)方式，需要根據(jù)河道條件，確定橋梁跨度大小、橋墩等入江基礎(chǔ)設(shè)施的位置選取、橋梁通航凈空要求等。

對(duì)于地下敷設(shè)方式，隧道選址需布設(shè)在遠(yuǎn)離灘險(xiǎn)、易變洲灘的穩(wěn)定河段。根據(jù)長(zhǎng)江300年一遇最大沖刷線及深泓擺幅確定隧道埋深。圖2為某城市過(guò)江隧道埋深與沖刷線的相互關(guān)系圖，隧道埋深需滿足河床可能發(fā)生最大沖刷情況下的覆蓋層厚度要求。長(zhǎng)江隧道受自然條件、施工風(fēng)險(xiǎn)等影響，常用盾構(gòu)法施工[3]。需結(jié)合河道條件、列車(chē)運(yùn)行速度及通風(fēng)防災(zāi)要求等，判斷區(qū)間風(fēng)井設(shè)置的必要性和可行性，并合理確定隧道洞徑。

圖2 某城市過(guò)江隧道埋深與沖刷線相互關(guān)系圖

2.1.2 航道條件符合性分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，水上和水下過(guò)河建筑物選址均應(yīng)避開(kāi)險(xiǎn)灘、港口作業(yè)區(qū)和錨地等[4-7]。因此,高架和地下敷設(shè)的過(guò)江通道均應(yīng)考慮對(duì)既有和規(guī)劃的港口、碼頭和錨地等進(jìn)行避讓。圖3為擬建過(guò)江通道避讓了現(xiàn)狀港口岸線，且繞避了碼頭、錨地。

圖3 某城市擬建過(guò)江通道與岸線相互關(guān)系圖

對(duì)于高架過(guò)江通道，橋位的選擇需滿足兩座相鄰水上過(guò)河建筑物的軸線間距要求。若無(wú)法滿足時(shí)，可在所處通航水域無(wú)礙航水流情況下，靠近布置，兩建筑物間相鄰邊緣距離應(yīng)控制在50 m以內(nèi)，且通航孔必須相互對(duì)應(yīng)(詳見(jiàn)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》5.1.3)。結(jié)合以上要求，確定符合通航條件的過(guò)江橋位及孔跨布置。

2.1.3 沿江取水口、水下管線等

過(guò)江通道位置的選擇還需明確與沿江取水口和水源保護(hù)區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系，避免違反環(huán)保要求；同時(shí)，注意有無(wú)其他過(guò)江管線與軌道交通過(guò)江通道存在立交沖突的情況，針對(duì)特殊水下過(guò)江管線，兩者間距需滿足相應(yīng)的規(guī)范要求(如圖1所示，過(guò)江通道與天然氣管道的距離滿足相應(yīng)規(guī)范要求，并避讓水庫(kù)遠(yuǎn)離其飲用水源保護(hù)區(qū))。

2.2 兩岸與過(guò)江通道銜接條件

過(guò)江通道與長(zhǎng)江兩岸銜接需重點(diǎn)考慮與兩岸規(guī)劃條件的符合性、與既有建(構(gòu))筑物的相互關(guān)系、兩岸設(shè)站條件等。

對(duì)于高架過(guò)江通道，兩岸的接線條件需與城市規(guī)劃相吻合，減小對(duì)兩岸用地的影響。同時(shí)，需做好兩岸線站位與規(guī)劃道路及現(xiàn)有環(huán)境的匹配。

對(duì)于地下過(guò)江通道，其對(duì)兩岸沿線規(guī)劃和現(xiàn)狀影響相對(duì)較小，對(duì)城市景觀基本無(wú)影響。但過(guò)江區(qū)間應(yīng)考慮河床沖刷埋深較深，兩岸車(chē)站埋深也相應(yīng)加大，施工難度和工程投資較大。

如圖4所示，考慮某城市過(guò)江通道兩岸沿線規(guī)劃多為住宅和商業(yè)用地且基本已建成，故采用地下敷設(shè)過(guò)江與兩岸銜接關(guān)系更優(yōu)，且與環(huán)保要求更為契合。

圖4 某過(guò)江通道路由與沿線規(guī)劃相互關(guān)系示意圖

2.3 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

過(guò)江通道的敷設(shè)方式需結(jié)合長(zhǎng)江及其兩岸地形地貌、地層巖性、不良地質(zhì)作用與特殊性巖土情況統(tǒng)籌考慮。

高架敷設(shè)方式需注意不良地質(zhì)條件對(duì)下部結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)的影響，避免橋墩基礎(chǔ)不均勻沉降，影響橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力。但整體而言，高架敷設(shè)方式對(duì)不良地質(zhì)條件適應(yīng)性較強(qiáng)。圖5為高架敷設(shè)方式通過(guò)采用相應(yīng)的加強(qiáng)措施，可以有效規(guī)避不良地層帶來(lái)的不利影響。

圖5 高架敷設(shè)方案與不良地質(zhì)關(guān)系示意圖

采用地下敷設(shè)方式過(guò)江時(shí)，區(qū)間隧道埋深不但受河床沖刷限制，還需考慮避讓不良地層以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。圖6為通過(guò)調(diào)整線路縱斷面有效避讓不良地質(zhì)的情況。對(duì)于需要穿越不良地質(zhì)條件的隧道區(qū)間，需考慮處理代價(jià)，復(fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)施工工法的選擇、盾構(gòu)機(jī)選型，甚至盾構(gòu)設(shè)備配置都帶來(lái)相應(yīng)的難度[8]。

圖6 地下過(guò)江隧道穿越地質(zhì)情況示意圖

兩岸的車(chē)站同樣需要考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件[9]。當(dāng)長(zhǎng)江兩岸地形地貌與長(zhǎng)江江面形成的高差較大時(shí)，采用高架敷設(shè)方式過(guò)江，兩岸車(chē)站受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)影響相對(duì)較小，可有效降低實(shí)施難度和工程造價(jià)。

2.4 工程實(shí)施條件

軌道交通過(guò)江通道的實(shí)施，無(wú)論采用高架還是地下敷設(shè)，都是整個(gè)工程的控制性節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于高架工程，其實(shí)施重難點(diǎn)在于與沿線地塊及相關(guān)建(構(gòu))筑物的協(xié)調(diào)、涉及的沿線拆遷、處理好工期和運(yùn)營(yíng)期環(huán)保等問(wèn)題。當(dāng)采用大跨度橋梁跨江時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身需要考慮的關(guān)鍵因素較多，如：大跨度懸索橋需確定主跨跨度、橋塔和錨碇位置等，進(jìn)而合理進(jìn)行總體橋型布置；根據(jù)功能需求，合理確定橋梁寬度；根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定索塔及其基礎(chǔ)、錨碇、主纜及吊索、索夾、鞍座等具體設(shè)計(jì)方案[10]。

對(duì)于地下過(guò)江，工程實(shí)施關(guān)鍵在于對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)的控制。結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、隧道洞徑方案及類(lèi)似工程案例等綜合評(píng)判施工風(fēng)險(xiǎn)，判斷隧道過(guò)江方案的可行性；結(jié)合過(guò)江段列車(chē)走行時(shí)間，驗(yàn)算區(qū)間防排煙能力；根據(jù)過(guò)江段及其兩岸工程環(huán)境，明確工程實(shí)施難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)的可控性[10]。

3 過(guò)江通道敷設(shè)方式選擇的程序

軌道交通過(guò)江敷設(shè)方式的選擇會(huì)影響整個(gè)項(xiàng)目的立項(xiàng)和實(shí)施，作為全線控制性工程，也是整個(gè)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。一般可按如下流程來(lái)開(kāi)展研究(見(jiàn)圖7)：首先，通過(guò)資料收集和分析，判斷過(guò)江通道項(xiàng)目建設(shè)的合規(guī)性，是否滿足項(xiàng)目立項(xiàng)要求；其次，敷設(shè)方式需適應(yīng)現(xiàn)狀與規(guī)劃環(huán)境，保證項(xiàng)目可實(shí)施；最后，通過(guò)分析工程實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)、工期和投資，并結(jié)合與環(huán)境的適應(yīng)情況，綜合分析比較不同敷設(shè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，給出敷設(shè)方式的推薦意見(jiàn)。

圖7 過(guò)江通道敷設(shè)方式比選流程圖

3.1 保證過(guò)江通道建設(shè)的合規(guī)性

軌道交通過(guò)江通道項(xiàng)目應(yīng)納入《長(zhǎng)江干線過(guò)江通道布局規(guī)劃》，并符合相關(guān)的城市規(guī)劃(包括城市總體規(guī)劃和城市軌道交通規(guī)劃等)。2020年3月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《長(zhǎng)江干線過(guò)江通道布局規(guī)劃(2020—2035年)》，交通部?jī)H受理符合布局規(guī)劃內(nèi)的過(guò)長(zhǎng)江通道項(xiàng)目。

3.2 分析與沿線現(xiàn)狀和規(guī)劃的適應(yīng)性

軌道交通過(guò)江段敷設(shè)方式要滿足所經(jīng)水域的河道及航道影響和環(huán)境影響評(píng)價(jià)要求，獲得以上專(zhuān)題批復(fù)是項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)的前置條件。在具體研究中，應(yīng)考慮與兩岸城市現(xiàn)狀和規(guī)劃相吻合，盡量避免對(duì)河道、通航條件及沿線既有建(構(gòu))筑物和景觀造成較大影響[11]。另外，對(duì)規(guī)劃地塊的切割情況、引起的拆遷量、對(duì)城市景觀的影響程度也會(huì)是評(píng)判敷設(shè)方式好壞的重要因素。

3.3 分析敷設(shè)方式與地質(zhì)條件的適應(yīng)性及工程風(fēng)險(xiǎn)的可控性

過(guò)江段線路敷設(shè)方式的可行性與地質(zhì)條件關(guān)系密切。通過(guò)收集區(qū)域地質(zhì)資料，并對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行一定深度的勘察，用來(lái)分析不同過(guò)江段敷設(shè)方式的風(fēng)險(xiǎn)和可行性。高架敷設(shè)方式可在一定程度上規(guī)避不良地質(zhì)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。地下敷設(shè)方式需在保證工程可行的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道施工技術(shù)，綜合評(píng)判工程風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)是否可控，是敷設(shè)方式選擇的關(guān)鍵因素。

3.4 工期和投資的合理性

對(duì)于過(guò)江通道這類(lèi)關(guān)鍵工程，需要合理控制工程工期和投資。對(duì)于地下過(guò)江通道，隧道工程造價(jià)相對(duì)較高，隨隧道洞徑增加投資增加；若區(qū)間需要穿越不良地層，投資和工期則相應(yīng)增加。對(duì)于高架過(guò)江通道，橋梁本身的工程造價(jià)和施工工期較隧道過(guò)江通常占有一定優(yōu)勢(shì)；但對(duì)于大跨度橋梁，工程造價(jià)會(huì)增加明顯，且沿線拆遷量大，拆遷進(jìn)度的不確定性和基礎(chǔ)實(shí)施也可能受到汛期影響。因此，越江工程敷設(shè)方式比選時(shí)，工程建設(shè)的總投資和總工期，是評(píng)價(jià)方案優(yōu)缺點(diǎn)不可缺少的一部分。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通工程是一項(xiàng)技術(shù)要求高、建設(shè)規(guī)模大、周期長(zhǎng)、投資高的系統(tǒng)工程。且對(duì)于過(guò)江線路來(lái)說(shuō)，越江段工程的實(shí)施難度和風(fēng)險(xiǎn)更高，為全線的關(guān)鍵工程，也是全線的工期瓶頸所在。在保證項(xiàng)目立項(xiàng)和可實(shí)施基礎(chǔ)上，不同的過(guò)江敷設(shè)方式對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性、環(huán)境和景觀影響、工程造價(jià)等方面都存在著一定差異。因此，對(duì)于過(guò)江通道敷設(shè)方式的比較研究需要進(jìn)行全面的系統(tǒng)性分析。