【摘要】 南通至宁波高速铁路杭州湾跨海大桥将是世界上距离最长、建设标准最高的高速铁路跨海桥梁，建设条件复杂，国内外可借鉴的工程经验少，工程建设面临巨大困难和挑战。基于项目特点，提出超长距离跨海桥梁总体设计思路，研究450m级大跨度斜拉桥铺设无砟轨道、80m跨径超长联混凝土连续梁无缝线路及超长距离跨海铁路大桥四电设备集约布置、应急救援、运营维护等典型的关键技术，以期为项目建设提供依据，也可为其他跨海铁路工程建设提供参考。
1 概述
21世纪以来，中国的海洋桥梁工程取得了巨大的进步和发展，建成了以东海大桥、港珠澳大桥为代表的一大批跨海公路桥梁，正在建设平潭海峡公铁两用大桥、福厦高铁泉州湾跨海大桥、甬舟铁路西堠门特大桥等跨海铁路桥梁、公铁合建桥梁，我国跨海桥梁建造技术达到了新的高度。
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南通至宁波高速铁路杭州湾跨海大桥全长29.2km，建成后将是世界上距离最长、建设标准最高的高速铁路跨海桥梁，是第一座强潮海湾、超低阻水率、全埋置式群桩基础的高速铁路跨海桥梁，涉及众多关键技术和重难点问题，国内外可借鉴的工程经验少，工程建设面临巨大困难和挑战。杭州湾跨海大桥示意如图1所示。
图1 杭州湾跨海大桥示意图
以杭州湾跨海铁路大桥为研究对象，对超长距离跨海桥梁总体设计及典型的关键技术进行研究，以期为项目建设提供依据，也可为其他跨海铁路工程提供参考借鉴。
2 建设条件
2.1 地形地貌
杭州湾平均水深8~10m，海底地形平坦。湾顶在澉浦附近，宽度约20km，湾口在上海南汇嘴至宁波镇海，宽度约100km。杭州湾河口是淤积性河口，工程河段呈“洪淤潮冲”“北冲南淤”，梅汛期淤积，枯水大潮期冲刷。水域动力复杂，地貌单元众多。
2.2 河流水文特征及涌潮
杭州湾泥砂与钱塘江河口交换频繁，湾内床面呈“冬冲夏淤”季节性和“北冲南淤”地域性冲淤变化特性。湾内大部分水域属非正规半日分潮海区，日、夜潮不等现象明显，且潮差大、流速快。
2.3 工程地质
工程场区地层主要有第四系全新统( )~下更新统( )海相( )、冲海相( )淤泥质土、黏性土、粉土及砂土，临近海堤分布有人工填土( )。桥址区不良地质主要为浅层气、地震效应造成的砂土液化。
2.4 水文地质
场区地表水(海水)对混凝土有硫酸盐侵蚀和二氧化碳侵蚀，化学侵蚀环境的作用等级为H2。氯盐环境作用等级为L3；盐类结晶破坏环境的作用等级为Y1。
场区地下水对混凝土有硫酸盐侵蚀，化学侵蚀环境的作用等级为H1：氯盐环境作用等级为L3；盐类结晶破坏环境的作用等级为Y1。
2.5 主要控制因素
南通至宁波高速铁路横跨杭州湾，海域宽度20~50km，具有海域宽阔、风大浪高、潮强流急、地质较差、海床冲淤剧烈、水深不理想、存在浅层气影响、航运繁忙、航道多且等级高、核电和海事管理严格、生态环境敏感区多等特点和难点。
杭州湾海域及其两侧分布众多重大控制因素。杭州湾海域主要包括海盐港区进港航道、乍浦至杭州航道、杭州至外海航道，以及白塔山锚地、规划海盐锚地。杭州湾北岸主要包括海盐港区、秦山核电站、钱塘江涌潮起潮点、海盐县城区及山水六旗项目、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、海盐中燃能源有限公司及码头等。杭州湾南岸主要包括杭州湾国家湿地公园、余姚市规划工业区、方特乐园等。
3 总体设计
3.1 桥位选择
根 据杭州湾主要控制因素及沿线城市总体规划、主管部门要求及地方政府意见，主要研究了海盐东通道、海盐西通道、澉浦东通道、澉浦西通道4个径路。澉浦东通道穿越秦山核电站现状厂址及规划厂址中间区域，风险管控难度大，中核集团明确反对。综合嘉兴市城市总体规划、跨海通道以及杭州湾两岸城镇分布，对海盐东桥梁方案、海盐西桥梁方案、澉浦西隧道方案进行比选，如图2所示。
图2 嘉兴至宁波段线路走向方案示意图
从工程技术难度、规划条件、客流吸引、施工工期、工程投资等方面进行分析比较，并经多项专题研究，推荐符合路网规划和城市发展、满足航道要求且工程风 险 可控的海盐西通道经海盐慈溪方案。
3.2 跨海方式
杭州湾海域现有杭州湾跨海公路大桥和嘉绍大 桥，桥梁建设技术成熟，宜优先选择桥梁方案。因桥梁方案受港口、通航、钱塘江涌潮、海床演变、气象条件等因素影响较大，同时研究隧道方案。
3.2.1桥梁总体方案
根据海域建桥条件、船舶通航要求，结合涉海专题研究成果，跨海桥梁跨度布置如下：
一是，北航道桥采用主跨450m钢箱－钢桁组合梁斜拉桥。
二是，中航道桥采用主跨448m钢桁梁斜拉桥，跨度布置为(85.4+182+2×448+182+85.4)m，桥长1430.8m。
三是，南航道桥采用主跨364m钢桁梁斜拉桥，跨度布置为(71.25+154+364+154+71.25)m，桥长814.5m。
四是，海中引桥长约17.9km，采用80m跨预应力混凝土连续梁。
五是，浅滩区引桥长约7.8km，采用跨度48m和32m预应力混凝土简支梁。
3.2.2隧道总体方案
综合考虑隧道区域地质条件、海底冲刷、浅层气、防排水、人工岛、周边构筑物等因素，确定海底隧道纵断面，如图3所示。
图3 隧道纵断面简图
跨海桥梁设计、施工及运营管理技术相对成熟，风险总体可控；建设成本低，建设周期短且有保证；运营维修方便，成本低；桥梁处于开放空间，防灾、救援方便快捷，事故影响程度低。跨海隧道受地质条件影响较大，长距离穿越海床底部并需在海中筑岛，地质条件差，不可预知风险高；建设成本较高，工期长；运营维护成本相对较高。
推 荐采用桥梁方案跨越杭州湾。
3.3 建设规模
杭州湾海域条件复杂，两岸制约因素众多，桥位资源稀缺，有必要研究铁路与其他项目共用跨海通道方案。
3.3.1公铁合建研究
结合公路跨湾需求，公铁合建是重要的可能选项。根据公路网规划布局，开展不同情境下交通需求预测、分配及分析，对比单独建设铁路桥梁与公铁共建桥梁方案，研究论证公铁共建桥梁的必要性。
杭州湾跨海铁路通道内公路交通需求量小，公路与铁路共建跨海大桥的需求不旺盛；公铁共建的社会经济效益不佳；杭州湾金山公路通道对杭州湾公路跨海大桥的分流作用更显著。推荐单独建设跨海铁路大桥，建议尽快启动杭州湾金山公路通道前期研究工作。
3.3.2四线铁路桥梁研究
杭州铁路枢纽远景规划预留货车外绕线，与本项目共通道跨越杭州湾，研究了杭州枢纽货车外绕线与杭州湾跨海铁路大桥合建四线桥方案。
研究年度，沪甬间货物仍经由沪杭线－钱江二桥－萧甬线运输。沪杭线近、远期客车为44、37对，货车为24、25对，线路通过能力利用率为66%、58%；萧甬线近、远期客车为12、10对，货车为21、25对，线路通过能力利用率为32%、31%；钱江二桥近、远期客车为44、37对，货车为56、58对，线路通过能力利用率为84%、80%。
因此，研究年度维持区域现状货运路网格局，相关线路通过能力满足需求，能够承担区域货物运输任务。
建议 远景年度根据杭州市城市总体规划和长三角货运系统布局，实施货车外绕线工程。
3.4 主要技术标准
南通至宁波高速铁路设计时速为350km，铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道。为提高运输能力并确保标准的一致性，减少跨海桥梁的养护维修作业量，推荐杭州湾跨海大桥铺设无砟轨道，设计时速与全线保持一致。
4 工程设计关键技术
杭州湾跨海铁路大桥涉及众多关键技术和重难点问题，国内外可借鉴的工程经验少，工程建设面临诸多困难和挑战，本文仅探讨几项典型的工程设计关键技术问题。
4.1 450m级大跨度斜拉桥铺设无砟轨道
杭州湾跨海大桥设置3座航道桥，主跨分别为450m、448m+448m及364m，均大于目前已建成的昌赣高铁赣江特大桥、商合杭铁路裕溪河特大桥，在450m级大跨斜拉桥上铺设无砟轨道是控制设计速度的关键。
4.1.1轨道不平顺控制标准
基于绝对测量与矢距差法的高铁轨道长波几何不平顺标准已不适用于大跨度桥梁轨道平顺性分析。根据“车－轨－桥”系统动力学分析，参照类似工程经验，提出时速350km的车体垂向加速度与轨道不平顺关系，以基于中点弦测法的60m弦代替其作为长波静态不平顺控制标准。
4.1.2大跨度桥梁轨道平顺性
经分析，3座航道桥的60m弦轨道不平顺滤波前分别为3.36mm、4.26mm和6.55mm，滤波后分别为2.85mm、5.21mm和1.83mm，均小于7mm限值要求。
4.2 80m跨径超长联混凝土连续梁无缝线路
大跨度简支梁对墩顶纵向刚度及位移要求高，基础规模大，梁部重量大，需要采用大型浮吊开展作业，工程造价较高。连续梁的活动墩不考虑墩顶纵向刚度及位移限值要求，基础规模小，重量轻，对大型浮吊作 业 的吃水深度要求较低，但需设置钢轨伸缩调节器。对于跨海铁路桥而言，为减少制动墩及伸缩调节器数量，应尽量加大联长。
4.2.1 简支梁与连续梁方案比选
简支梁和连续梁的技术经济比较如表1所示。
从轨道适应性、施工条件、运营维护、结构耐久性及工程造价等方面综合考虑，推荐采用80m跨度单箱混凝土连续梁方案。
4.2.2 80m跨度长联连续梁长度
海中引桥采用长联连续梁结构，应合理确定连续梁联长，尽量减少轨道伸缩调节器数量。航道桥之间的距离约为6km，在航道桥之间布置3联混凝土连续梁，最大温度跨度1840m，梁端伸缩装置最大规格为±500mm。
基于梁轨相互作用分析，梁－轨相对位移最大值0.54mm＜5mm，钢轨强度181.61MPa＜351MPa，钢轨断缝值18.08mm＜70mm，满足要求。
4.3 超长距离跨海铁路大桥四电设备集约布置
杭州湾跨海铁路大桥距离长、桥面窄，具有高湿度、强风力、高腐蚀的环境特点，在狭窄空间里布置大量四电设备设施，是一项极为复杂的工作。
因此，应在满足四电设备功能的前提下对桥上四电设备选型、布置形式开展深化研究，提升四电设备的集约化程度，提 高 工程的可实施性和可维护性。
4.3.1海上四电集成平台
根据四电设备需求，研究集约化布置方案和分散布置方案，其中最大影响因素为是否设置海上平台，供电方案采用直接供电方案，还是AT供电方案。AT供电方案能够最大程度保证复杂海洋环境下超长跨海大桥的供电能力、可靠性及灵活性，在跨海段设置1座AT所。
利用1孔80m简支梁搭建海上四电平台，AT所和信号中继站分别布置在四电平台的两端，中间预留警卫房屋场地，如图4所示。
图4 海中四电平台布置平面示意图
4.3.2电力、通信墩顶集成平台
杭州湾跨海铁路大桥设有区间10 kV 电力贯通 线、10/0.4kV箱式变电站、检修插座箱、桥梁工作照明、桥梁航空障碍照明、桥梁桥涵航道照明、桥梁疏散照明及桥梁景观照明等。桥上布置铁路通信专网设备(GSM－R)、预留的铁路专网设备(5G－R)以及公网设备。
在桥墩墩顶布置通信与电力设备，可大量节约工程投资。桥面上，电力与通信设备共用10处平台，其中电力为双侧对称布置，左侧平台为电力专用，其与电力专用墩顶平台相同；右侧平台为电力与通信共用，如图5所示。
图5 电力与通信共用墩顶平台布置示意图(单位：cm)
4.4 超长距离跨海铁路大桥应急救援
杭州湾跨海大桥全域跨海，深水区桥墩高度位于30~60m之间，距离海面高，且桥面为相对狭长型的空间场所，一旦因为极端气候、自然灾害、火灾等突发 情 况发生停车事故，会造成大量人群聚集在狭窄的桥面上，如果疏散、救援不及时很容易导致二次事故，严 重 威胁乘客生命和财产安全，因此需制定乘客疏散逃 生 和应急救援方案。
为了保障救援人员自身及设施设备、高铁设施设备及乘客的安全，难以采用空中和海上救援方式对跨 海 大桥上的大批乘客进行疏散。
参照隧道应急救援研究成果，在引桥上6孔80m箱梁范围内布置1座紧急救援站。紧急救援站站台面宽1.85m，站台面距离轨面0.3m，距离列车车厢地板0.95m，如图6所示。
图6 桥面布置示意图(单位：cm)
4.5 超长距离跨海铁路大桥运营维护
超长距离跨海桥梁的运维环境恶劣，长期处在高温、高湿、盐害、海雾等强腐蚀自然环境下，结构性能和健康状况退化更早、更快、更严重。
桥梁运维检修通道只能依靠桥梁自身结构设置，但本桥通行距离长、时间久、条件差，现场有效作业时间短、效率低，无法采用常规的维修方案，运营维护难度大，应开展桥上运维通道研究，减少养护维修上线作业量，力争建设全天候通车、全天候维养通道，实现可维、可达、可修、可更换的设计理念。图7为桥面运维通道横断面布置图。
此外，结合海中四电平台和墩顶平台，制定跨海大桥运营维护措施。
图7 桥面运维通道横断面布置图(单位：cm)
5 结论
杭州湾跨海铁路大桥作为世界级工程，面临众多重难点问题，涉及多项关键技术。通过对杭州湾跨海铁路大桥开展总体设计及关键技术研究，得出结论如下：
(1)选择海盐西通道以桥梁方式跨越杭州湾、修建双线铁路桥梁是合适的。
(2)杭州湾跨海大桥450m、448m+448m及364m跨度航道桥宜铺设无砟轨道，全桥不限速。
(3)超长距离引桥宜采用80m跨径超长联混凝土连续梁无缝线路，设置钢轨伸缩调节器。
(4)超长距离跨海铁路大桥宜集约布置四电设备，设置海上四电平台和墩顶集成平台。
( 5)超长距离跨海铁路大桥宜设置紧急救援站， 集 中救援与随机救援相结合。
(6)超长距离跨海铁路大桥宜根据工务、电务、供电运维需求，合理布置运维通道。
本文转自《铁道工程学报》——杭州湾跨海铁路大桥总体设计与关键技术研究，作者张建；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！