海南東環(huán)鐵路路基設計創(chuàng)新

周 勇

(海南東環(huán)鐵路有限公司，海南海口 570100)

新建鐵路海南東環(huán)線是海南島第一條時速250 km的城際高速鐵路，起于海南省海口市海口火車站，終于三亞市三亞火車站，對應里程為K0+000～K308+110.54，全長為308.11 km，正線路基長179.23 km，占線路長度的58.17%;區(qū)間路基長168.414 km，占線路總長度的54.7%。本線主要技術標準為雙線電氣化客運專線。根據(jù)總體設計要求，新海口城市高架雙線特大橋臺尾至美蘭機場隧道出口(K4+828.819～K40+824.03)計36 km為無砟軌道，其余為有砟軌道。其中K0+000～K24+500段設計行車速度為80 km/h，K24+500～K25+540段設計行車速度為120 km/h，K25+540～K302+547段設計行車速度為250 km/h，K302+547～K306+047段設計行車速度為200 km/h，K306+047～K308+110段設計行車速度為160 km/h。

1 路基工程主要難點

(1)美蘭機場深路塹U形槽:該工程位于高烈度地震區(qū)，地下水位高，地層為砂層和砂性花崗巖全風化層，地表及地下排水困難，懸壁高，其結構設計及加固防護復雜、難度大。

(2)海南東環(huán)鐵路作為我國具有重要代表意義的現(xiàn)代城際旅游客運鐵路，鐵路設計需要將海南自然環(huán)境、人文環(huán)境有機融合，打破鐵路單一的交通運輸功能理念，展現(xiàn)出海南獨特的地域風光和鐵路建設自然生態(tài)旅游新概念、新思路。

(3)海南東環(huán)鐵路沿線屬強臺風、強降雨地區(qū)，需要結合邊坡巖土體特性、降水、支擋結構三者間的相互作用機理，提出安全經(jīng)濟并能抗強降雨和強臺風的路基邊坡加固防護形式，且應具有明顯的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

(4)海南東環(huán)鐵路所經(jīng)過地區(qū)大部分為花崗巖全風化地層，為C組填料，缺乏路基合格填料。根據(jù)鐵路建設規(guī)范，花崗巖全風化層需改良后才能作為鐵路客運專線路基填料，為此需要開展花崗巖全風化層填料改良試驗研究，以保證強降雨地區(qū)路基安全。

2 路基工程設計主要技術創(chuàng)新

2.1 路基U形槽設計技術創(chuàng)新

海南東環(huán)鐵路美蘭站位于美蘭機場航站樓東側，為地下車站，首次實現(xiàn)了國內高速鐵路與機場的“零換乘”;該段為設計時速250 km/h的無砟軌道，受線路縱斷面控制，地下隧道進口端為12‰下坡，隧道出口端為15.6‰上坡;路基U形槽位于美蘭地下站兩端，全長1 730 m，是目前國內最長的地下深基坑U形槽結構，U形槽穿越地層主要為飽和砂土，地下水發(fā)育、地下水位高，工程地質及水文地質條件差，基坑最大深度12.3 m。

(1)高鐵與機場“零換乘”

該段U形槽國內首次實現(xiàn)高鐵與機場“零換乘”。海南東環(huán)鐵路美蘭車站為地下站，通過地下人行步道與美蘭機場航站樓相接，首次實現(xiàn)國內高速鐵路與機場“零換乘”理念，取得了節(jié)約土地、方便旅客換乘等多方面的社會及經(jīng)濟效益。

(2)應用范圍創(chuàng)新

高鐵首次在富水砂層、高烈度地震區(qū)、長大深基坑中采用鋼筋混凝土U形槽結構:U形槽結構主要由鋼筋混凝土底板和鋼筋混凝土邊墻組成，其主要工作機理是通過邊墻支撐山坡土體，通過邊墻、底板以及附屬設施自重抵抗地下水的上浮壓力，從而保持結構的穩(wěn)定性。

U形槽結構受力復雜，對U形槽結構進行分析時應合理考慮列車活載、地下水壓力以及邊墻土壓力;在求解結構內力時，應根據(jù)結構的特性，考慮各種荷載的多種合理組合。

在地下水發(fā)育地段采取抗浮措施，以滿足U形槽地基承載力、工后沉降以及抗浮穩(wěn)定性的要求，抗浮措施和基坑開挖防護永久與臨時措施結合，滿足工程要求又節(jié)約工程投資。

U形槽結構防滲也是一項重要內容，是保證結構耐久性和運營安全的關鍵。

U形槽結構如圖1所示。

圖1 U形槽結構

(3)鉆孔樁、樁間旋噴圍護、井點降水技術結合

富水砂層深基坑采用鉆孔樁+樁間旋噴圍護+井點降水技術。該路基U形槽通過地段主要為富水砂土地層，地質條件差、地下水位高，有針對性地采取了具有止水帷幕作用的圍護結構以及局部地段采取基坑內降水的設計方案(如圖2所示)。

圖2 圍幕止水

(4)富水砂層深基坑安全監(jiān)控技術

U形槽基坑采用信息化控制指導施工，對圍護結構的變形和沉降、地下水位、土壓力、地表沉降、建筑物沉降位移等進行了嚴格監(jiān)控量測，對反饋的數(shù)據(jù)信息進行分析整理，及時優(yōu)化調整施工方案，對即將出現(xiàn)的危險(如開挖土方不均衡，圍護結構剛度、強度不足，圍護結構變形過大，不均勻沉降，基底隆起、管涌，基坑周邊建筑物降水產生沉降位移等)及時預警。針對基坑中可能遇到的風險制定了相應的應急預案，有效地控制風險，確保了施工及周圍建筑物的安全。

該段U形槽設計合理、完善，施工完成后U形槽結構外觀漂亮，結構抗?jié)B效果好，槽內及地面防排水措施合理，實車試驗及開通以來的運營結果均表明，列車在U形槽內運行平穩(wěn)、結構安全可靠、沉降小、乘車舒適感好。

2.2 路基景觀

海南東環(huán)鐵路設計以“生態(tài)鐵路”、“景觀長廊”作為目標，展現(xiàn)海南獨特的地域風光，符合海南島重點發(fā)展旅游業(yè)的要求。

規(guī)劃設計依附“海洋之心，城際之旅”的整體規(guī)劃構想，打造沿線不同特色景觀區(qū)段。東環(huán)鐵路線路全長308.1 km，以沿線景觀為紐帶，風格以粗獷、豪放、大氣為主，以栽植喬木為主，盡量保持沿線周邊的自然田野、山丘、河流、大海的自然風景。以重要站點、隧道洞口仰坡結合地域文化和環(huán)境特色為節(jié)點，加強細節(jié)控制。

(1)海東線景觀工程要點

確定景觀產品形態(tài)及其分布、景觀區(qū)域設計要點、基本景觀環(huán)境實施手段等景觀規(guī)劃要素，最終實現(xiàn)以線串點，輻射區(qū)域的鐵路沿線景觀優(yōu)勢。

合理規(guī)劃海南東環(huán)線景觀組分、板塊的數(shù)量和空間分布格局，使各組分之間達到和諧有序，減少生態(tài)可能受脅受損的范圍與規(guī)模，提高景觀體系總體生產力和穩(wěn)定性，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

調查分析旅客視覺感受和相應的心理反應。對東環(huán)線沿線視覺范圍內現(xiàn)有自然和人文景觀等要素進行視覺和心理影響分析，對東環(huán)線景觀空間形象的規(guī)劃設計提出建議。

東環(huán)線景觀要素三維環(huán)境模擬:包括沿線重點自然、人文景觀節(jié)點，沿線重要交通節(jié)點(橋梁、隧道)，沿線車站的數(shù)字模擬化，基于可視化技術對景觀系統(tǒng)進行虛擬仿真，提供技術支持和參考。

要求與鐵路工程特性結合，將新的設計視點綜合運用于東環(huán)線景觀價值中。

景觀與鐵路路堤、路塹、橋梁、隧道洞門、站前廣場、聲屏障等元素相結合，按照當代景觀學尊重自然、尊重人本、尊重本土文化的基本原則進行結構物設計，是該項目中景觀設計研究的重點。同時，鐵路交通具有速度快、線路運行時間固定、運力大等特點，這就要求在進行景觀設計過程中要有新的設計視點，綜合運用傳統(tǒng)和新型的設計手段實現(xiàn)景觀價值。

(2)三維模擬技術

運用計算機技術將工程設計的數(shù)據(jù)轉化為視覺形象，綜合分析多角度、多方位的視線整體景觀要求，把握住整體效果。與鐵路路基景觀相交叉的主要視線有:車上乘客視線、路上行車視線、路上行人視線。依照三種視線交叉點，優(yōu)化路基景觀要素，制定針對性對策。

(3)植物景觀策略

選擇滿足行車安全、施工工藝可行性高、投資成本適中的樹種，其次按適地適樹的基本原則，注重防護和造景的雙重功能，利用植物的色彩、枝形、高低等自然形狀相互襯托，形成優(yōu)雅的造型與韻律，從而給人以清新、自然、舒適的良好視覺景觀效果。

(4)沿海強臺風地區(qū)的鐵路景觀

①沿海強臺風地區(qū)路基坡面綠色加固防護

一般地段路基坡面栽植矮生狗牙根+銀合歡或仂樹。初期草籽作為先鋒樹種迅速覆蓋坡面，后期灌木豐富的根系有效攔蓄斜面地表徑流，減少水土流失或滑坡。

重點地段采用地被覆蓋護坡類型:以草坪綠化基礎配置蜘蛛蘭、紅花炸醬草、三角梅等，3～5株/穴、25～30 cm的穴距品字形栽植，以減少垂直徑流。該配置一到開花季節(jié)，鐵路兩側都是花的海洋，賞心悅目。

②海東線綠色通道建設

結合現(xiàn)場實際情況，在不影響行車和設備安全條件下，全線路基填方高度H≥3 m路堤坡腳外側至防護柵欄沿線路方向，按株距4.5 m栽植1排喬木;重點加減速路堤段，根據(jù)填方高度，坡腳至防護柵欄內沿線路方向采用栽植地被植物后間植喬灌木;在邊坡植被生長茂密的路堤地段，僅考慮高度H≥3 m邊坡排水溝外側栽植喬灌木，邊坡高度H＜3 m時不綠化;坡腳設置護腳墻、墁石基礎等工程措施;坡腳至防護柵欄墻趾處距離小于0.5 m的路堤地段不綠化;排水溝外側至防護柵欄墻趾距離≥0.5 m且＜2.5 m時，根據(jù)邊坡高度栽植1排灌木或1排喬木;邊坡高度H＜3 m時路塹塹頂至防護柵欄，栽植1排灌木狀藤本植物。

③山嶺隧道洞口景觀

14個隧道進出口洞門仰坡選擇銀合歡、仂樹、三角梅灌木種子交替點播，洞口邊以2株/m栽植攀援植物，爬山虎、三角梅等。隧道洞門仰坡綠化斷面如圖3所示。

綜上所述，海南東環(huán)鐵路景觀設計在設計過程中始終堅持進行多方案的技術經(jīng)濟比較，以選擇更安全、更經(jīng)濟合理的工程措施。鐵路沿線景觀風格以粗獷、豪放、大氣為主，細節(jié)景觀的數(shù)量適當控制。設計以站區(qū)為節(jié)點，線路為紐帶，重要站點結合地域文化和環(huán)境特色進行重點設計，線路紐帶景觀盡量保持沿線周邊的自然田野、山丘、河流、大海的自然風景，重要地段則利用植物做生態(tài)的沿線特色綠化。2010年12月該工程通車運營，取得了良好的社會、經(jīng)濟效益，對今后類似工程具有很好的指導意義。

圖3 隧道洞門仰坡綠化斷面

2.3 花崗巖全風化層改良作路基填料

海南東環(huán)鐵路所經(jīng)過地區(qū)大部分為花崗巖地層，花崗巖全風化層為路堤主要填料來源，其為C組細粒土。依據(jù)我國高速鐵路設計規(guī)范要求，全風化花崗巖不能直接作為路基填料，須改良后才能使用。針對全風化花崗巖性質隨地點、環(huán)境、氣候和土層深度變化而改變的特點，為研究其用作高速鐵路基床底層及路堤本體填料的適宜性，首先對全風化花崗巖的黏土礦物成分、液塑性指標、承載比CBR值、臨界動應力、累積殘余應變與加載次數(shù)的關系等工程性質進行研究。由于海南島缺乏石灰材料，故海南東環(huán)鐵路采用摻加水泥進行改良，全線選取了有代表性的10組花崗巖C組填料進行水泥改良試驗研究，依據(jù)其微觀結構和物理化學性質的研究，根據(jù)該類土顆粒相對較粗，能與水泥充分接觸而發(fā)生膠結反應，且填充效果較好的工程特性，將水泥摻量分別擬定為3%、5%、7%進行試驗，從而提出最佳的改良方案，解決A、B組路基填料稀缺的重大工程問題。

3 社會經(jīng)濟效益

(1)美蘭機場U形槽復雜工點的設計，充分體現(xiàn)了高烈度地震區(qū)、高地下水位、富水地層、高懸臂、長段深路塹基坑開挖等特點和難點，可為其他U形槽設計提供有益的參考價值。

(2)“客運專線中等壓縮性土地基沉降特性及處理技術研究”成果直接運用于海南東環(huán)鐵路路基地基處理設計、施工中，節(jié)約了工程投資。

(3)“沿海強臺風、強降雨條件下路基邊坡加固防護形式研究”通過理論分析及試驗研究，探明了邊坡巖土體、降水、支擋結構三者間的相互作用機理，提出安全經(jīng)濟、并能抗強降雨和臺風的路基邊坡加固防護形式，具有明顯的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

(4)海南東環(huán)鐵路景觀設計改善和恢復鐵路設施建設破壞的生態(tài)環(huán)境，補植富有地域特色的景觀植被，同時鐵路景觀的綠色及景觀工程設施起到保持水土、保護路基、隔音降噪、隔離人流、增加沿途觀賞美感等作用，取得了良好的社會、經(jīng)濟效益。

(5)全風化花崗巖摻加水泥改良用作高速鐵路客運專線路基填料試驗及設計，解決了海南東環(huán)線A、B組路基填料稀缺的重大工程問題，節(jié)約了投資;考慮到海南東環(huán)鐵路沿線連續(xù)強降雨實際情況，設計時加強了路堤邊坡防護及防排水，保證了鐵路建設的質量。

(6)三亞車站塑料插水板與水泥攪拌樁分區(qū)加固，有效保證了既有線和高填方自身穩(wěn)定，節(jié)約了工程投資。

4 結束語

在滿足路基設計規(guī)范的前提下，海南東環(huán)鐵路工程路基建設有多項創(chuàng)新點:①首次在富水砂層、高烈度地震區(qū)、長大深基坑中采用鋼筋混凝土應用U形槽路基，首次實現(xiàn)了國內高速鐵路與機場的“零換乘”。②開展海東線花崗巖全風化層地基沉降特性研究，為以后類似工程設計提供參考。③花崗巖全風化層改良作路基填料設計，提出最佳的改良方案，解決了海南東環(huán)線A、B組路基填料稀缺的重大工程問題。④采用三維模擬技術與植物景觀策略，將海東鐵路設計為“生態(tài)鐵路”、“景觀長廊”，首次完成沿海強臺風地區(qū)的鐵路景觀設計。

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