海南东环铁路路基设计创新

周 勇

(海南东环铁路有限公司，海南海口 570100)

新建铁路海南东环线是海南岛第一条时速250 km的城际高速铁路，起于海南省海口市海口火车站，终于三亚市三亚火车站，对应里程为K0+000～K308+110.54，全长为308.11 km，正线路基长179.23 km，占线路长度的58.17%;区间路基长168.414 km，占线路总长度的54.7%。本线主要技术标准为双线电气化客运专线。根据总体设计要求，新海口城市高架双线特大桥台尾至美兰机场隧道出口(K4+828.819～K40+824.03)计36 km为无砟轨道，其余为有砟轨道。其中K0+000～K24+500段设计行车速度为80 km/h，K24+500～K25+540段设计行车速度为120 km/h，K25+540～K302+547段设计行车速度为250 km/h，K302+547～K306+047段设计行车速度为200 km/h，K306+047～K308+110段设计行车速度为160 km/h。

1 路基工程主要难点

(1)美兰机场深路堑U形槽:该工程位于高烈度地震区，地下水位高，地层为砂层和砂性花岗岩全风化层，地表及地下排水困难，悬壁高，其结构设计及加固防护复杂、难度大。

(2)海南东环铁路作为我国具有重要代表意义的现代城际旅游客运铁路，铁路设计需要将海南自然环境、人文环境有机融合，打破铁路单一的交通运输功能理念，展现出海南独特的地域风光和铁路建设自然生态旅游新概念、新思路。

(3)海南东环铁路沿线属强台风、强降雨地区，需要结合边坡岩土体特性、降水、支挡结构三者间的相互作用机理，提出安全经济并能抗强降雨和强台风的路基边坡加固防护形式，且应具有明显的生态效益和经济效益。

(4)海南东环铁路所经过地区大部分为花岗岩全风化地层，为C组填料，缺乏路基合格填料。根据铁路建设规范，花岗岩全风化层需改良后才能作为铁路客运专线路基填料，为此需要开展花岗岩全风化层填料改良试验研究，以保证强降雨地区路基安全。

2 路基工程设计主要技术创新

2.1 路基U形槽设计技术创新

海南东环铁路美兰站位于美兰机场航站楼东侧，为地下车站，首次实现了国内高速铁路与机场的“零换乘”;该段为设计时速250 km/h的无砟轨道，受线路纵断面控制，地下隧道进口端为12‰下坡，隧道出口端为15.6‰上坡;路基U形槽位于美兰地下站两端，全长1 730 m，是目前国内最长的地下深基坑U形槽结构，U形槽穿越地层主要为饱和砂土，地下水发育、地下水位高，工程地质及水文地质条件差，基坑最大深度12.3 m。

(1)高铁与机场“零换乘”

该段U形槽国内首次实现高铁与机场“零换乘”。海南东环铁路美兰车站为地下站，通过地下人行步道与美兰机场航站楼相接，首次实现国内高速铁路与机场“零换乘”理念，取得了节约土地、方便旅客换乘等多方面的社会及经济效益。

(2)应用范围创新

高铁首次在富水砂层、高烈度地震区、长大深基坑中采用钢筋混凝土U形槽结构:U形槽结构主要由钢筋混凝土底板和钢筋混凝土边墙组成，其主要工作机理是通过边墙支撑山坡土体，通过边墙、底板以及附属设施自重抵抗地下水的上浮压力，从而保持结构的稳定性。

U形槽结构受力复杂，对U形槽结构进行分析时应合理考虑列车活载、地下水压力以及边墙土压力;在求解结构内力时，应根据结构的特性，考虑各种荷载的多种合理组合。

在地下水发育地段采取抗浮措施，以满足U形槽地基承载力、工后沉降以及抗浮稳定性的要求，抗浮措施和基坑开挖防护永久与临时措施结合，满足工程要求又节约工程投资。

U形槽结构防渗也是一项重要内容，是保证结构耐久性和运营安全的关键。

U形槽结构如图1所示。

图1 U形槽结构

(3)钻孔桩、桩间旋喷围护、井点降水技术结合

富水砂层深基坑采用钻孔桩+桩间旋喷围护+井点降水技术。该路基U形槽通过地段主要为富水砂土地层，地质条件差、地下水位高，有针对性地采取了具有止水帷幕作用的围护结构以及局部地段采取基坑内降水的设计方案(如图2所示)。

图2 围幕止水

(4)富水砂层深基坑安全监控技术

U形槽基坑采用信息化控制指导施工，对围护结构的变形和沉降、地下水位、土压力、地表沉降、建筑物沉降位移等进行了严格监控量测，对反馈的数据信息进行分析整理，及时优化调整施工方案，对即将出现的危险(如开挖土方不均衡，围护结构刚度、强度不足，围护结构变形过大，不均匀沉降，基底隆起、管涌，基坑周边建筑物降水产生沉降位移等)及时预警。针对基坑中可能遇到的风险制定了相应的应急预案，有效地控制风险，确保了施工及周围建筑物的安全。

该段U形槽设计合理、完善，施工完成后U形槽结构外观漂亮，结构抗渗效果好，槽内及地面防排水措施合理，实车试验及开通以来的运营结果均表明，列车在U形槽内运行平稳、结构安全可靠、沉降小、乘车舒适感好。

2.2 路基景观

海南东环铁路设计以“生态铁路”、“景观长廊”作为目标，展现海南独特的地域风光，符合海南岛重点发展旅游业的要求。

规划设计依附“海洋之心，城际之旅”的整体规划构想，打造沿线不同特色景观区段。东环铁路线路全长308.1 km，以沿线景观为纽带，风格以粗犷、豪放、大气为主，以栽植乔木为主，尽量保持沿线周边的自然田野、山丘、河流、大海的自然风景。以重要站点、隧道洞口仰坡结合地域文化和环境特色为节点，加强细节控制。

(1)海东线景观工程要点

确定景观产品形态及其分布、景观区域设计要点、基本景观环境实施手段等景观规划要素，最终实现以线串点，辐射区域的铁路沿线景观优势。

合理规划海南东环线景观组分、板块的数量和空间分布格局，使各组分之间达到和谐有序，减少生态可能受胁受损的范围与规模，提高景观体系总体生产力和稳定性，实现区域可持续发展。

调查分析旅客视觉感受和相应的心理反应。对东环线沿线视觉范围内现有自然和人文景观等要素进行视觉和心理影响分析，对东环线景观空间形象的规划设计提出建议。

东环线景观要素三维环境模拟:包括沿线重点自然、人文景观节点，沿线重要交通节点(桥梁、隧道)，沿线车站的数字模拟化，基于可视化技术对景观系统进行虚拟仿真，提供技术支持和参考。

要求与铁路工程特性结合，将新的设计视点综合运用于东环线景观价值中。

景观与铁路路堤、路堑、桥梁、隧道洞门、站前广场、声屏障等元素相结合，按照当代景观学尊重自然、尊重人本、尊重本土文化的基本原则进行结构物设计，是该项目中景观设计研究的重点。同时，铁路交通具有速度快、线路运行时间固定、运力大等特点，这就要求在进行景观设计过程中要有新的设计视点，综合运用传统和新型的设计手段实现景观价值。

(2)三维模拟技术

运用计算机技术将工程设计的数据转化为视觉形象，综合分析多角度、多方位的视线整体景观要求，把握住整体效果。与铁路路基景观相交叉的主要视线有:车上乘客视线、路上行车视线、路上行人视线。依照三种视线交叉点，优化路基景观要素，制定针对性对策。

(3)植物景观策略

选择满足行车安全、施工工艺可行性高、投资成本适中的树种，其次按适地适树的基本原则，注重防护和造景的双重功能，利用植物的色彩、枝形、高低等自然形状相互衬托，形成优雅的造型与韵律，从而给人以清新、自然、舒适的良好视觉景观效果。

(4)沿海强台风地区的铁路景观

①沿海强台风地区路基坡面绿色加固防护

一般地段路基坡面栽植矮生狗牙根+银合欢或仂树。初期草籽作为先锋树种迅速覆盖坡面，后期灌木丰富的根系有效拦蓄斜面地表径流，减少水土流失或滑坡。

重点地段采用地被覆盖护坡类型:以草坪绿化基础配置蜘蛛兰、红花炸酱草、三角梅等，3～5株/穴、25～30 cm的穴距品字形栽植，以减少垂直径流。该配置一到开花季节，铁路两侧都是花的海洋，赏心悦目。

②海东线绿色通道建设

结合现场实际情况，在不影响行车和设备安全条件下，全线路基填方高度H≥3 m路堤坡脚外侧至防护栅栏沿线路方向，按株距4.5 m栽植1排乔木;重点加减速路堤段，根据填方高度，坡脚至防护栅栏内沿线路方向采用栽植地被植物后间植乔灌木;在边坡植被生长茂密的路堤地段，仅考虑高度H≥3 m边坡排水沟外侧栽植乔灌木，边坡高度H＜3 m时不绿化;坡脚设置护脚墙、墁石基础等工程措施;坡脚至防护栅栏墙趾处距离小于0.5 m的路堤地段不绿化;排水沟外侧至防护栅栏墙趾距离≥0.5 m且＜2.5 m时，根据边坡高度栽植1排灌木或1排乔木;边坡高度H＜3 m时路堑堑顶至防护栅栏，栽植1排灌木状藤本植物。

③山岭隧道洞口景观

14个隧道进出口洞门仰坡选择银合欢、仂树、三角梅灌木种子交替点播，洞口边以2株/m栽植攀援植物，爬山虎、三角梅等。隧道洞门仰坡绿化断面如图3所示。

综上所述，海南东环铁路景观设计在设计过程中始终坚持进行多方案的技术经济比较，以选择更安全、更经济合理的工程措施。铁路沿线景观风格以粗犷、豪放、大气为主，细节景观的数量适当控制。设计以站区为节点，线路为纽带，重要站点结合地域文化和环境特色进行重点设计，线路纽带景观尽量保持沿线周边的自然田野、山丘、河流、大海的自然风景，重要地段则利用植物做生态的沿线特色绿化。2010年12月该工程通车运营，取得了良好的社会、经济效益，对今后类似工程具有很好的指导意义。

图3 隧道洞门仰坡绿化断面

2.3 花岗岩全风化层改良作路基填料

海南东环铁路所经过地区大部分为花岗岩地层，花岗岩全风化层为路堤主要填料来源，其为C组细粒土。依据我国高速铁路设计规范要求，全风化花岗岩不能直接作为路基填料，须改良后才能使用。针对全风化花岗岩性质随地点、环境、气候和土层深度变化而改变的特点，为研究其用作高速铁路基床底层及路堤本体填料的适宜性，首先对全风化花岗岩的黏土矿物成分、液塑性指标、承载比CBR值、临界动应力、累积残余应变与加载次数的关系等工程性质进行研究。由于海南岛缺乏石灰材料，故海南东环铁路采用掺加水泥进行改良，全线选取了有代表性的10组花岗岩C组填料进行水泥改良试验研究，依据其微观结构和物理化学性质的研究，根据该类土颗粒相对较粗，能与水泥充分接触而发生胶结反应，且填充效果较好的工程特性，将水泥掺量分别拟定为3%、5%、7%进行试验，从而提出最佳的改良方案，解决A、B组路基填料稀缺的重大工程问题。

3 社会经济效益

(1)美兰机场U形槽复杂工点的设计，充分体现了高烈度地震区、高地下水位、富水地层、高悬臂、长段深路堑基坑开挖等特点和难点，可为其他U形槽设计提供有益的参考价值。

(2)“客运专线中等压缩性土地基沉降特性及处理技术研究”成果直接运用于海南东环铁路路基地基处理设计、施工中，节约了工程投资。

(3)“沿海强台风、强降雨条件下路基边坡加固防护形式研究”通过理论分析及试验研究，探明了边坡岩土体、降水、支挡结构三者间的相互作用机理，提出安全经济、并能抗强降雨和台风的路基边坡加固防护形式，具有明显的经济效益和生态效益。

(4)海南东环铁路景观设计改善和恢复铁路设施建设破坏的生态环境，补植富有地域特色的景观植被，同时铁路景观的绿色及景观工程设施起到保持水土、保护路基、隔音降噪、隔离人流、增加沿途观赏美感等作用，取得了良好的社会、经济效益。

(5)全风化花岗岩掺加水泥改良用作高速铁路客运专线路基填料试验及设计，解决了海南东环线A、B组路基填料稀缺的重大工程问题，节约了投资;考虑到海南东环铁路沿线连续强降雨实际情况，设计时加强了路堤边坡防护及防排水，保证了铁路建设的质量。

(6)三亚车站塑料插水板与水泥搅拌桩分区加固，有效保证了既有线和高填方自身稳定，节约了工程投资。

4 结束语

在满足路基设计规范的前提下，海南东环铁路工程路基建设有多项创新点:①首次在富水砂层、高烈度地震区、长大深基坑中采用钢筋混凝土应用U形槽路基，首次实现了国内高速铁路与机场的“零换乘”。②开展海东线花岗岩全风化层地基沉降特性研究，为以后类似工程设计提供参考。③花岗岩全风化层改良作路基填料设计，提出最佳的改良方案，解决了海南东环线A、B组路基填料稀缺的重大工程问题。④采用三维模拟技术与植物景观策略，将海东铁路设计为“生态铁路”、“景观长廊”，首次完成沿海强台风地区的铁路景观设计。

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