风沙地区铁路工程地质勘察方法及路基设计探讨

河南省郑州市中铁工程设计咨询集团有限公司 郑州设计院 张 磊

风沙地区铁路工程地质勘察方法及路基设计探讨

河南省郑州市中铁工程设计咨询集团有限公司 郑州设计院 张 磊

新建铁路陶利庙至上海庙线（以下简称陶–上线）位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗、鄂托克前旗境内，线路全长约195 km， 风沙路基长约42 km。陶–上线位于毛乌素沙漠边缘区，经过区高程在1 270～1 500 m。该地区形波状起伏，地表多为半固定沙丘，有部分流动沙丘和沙丘链，沙丘高2～20 m。据气象资料，当地多大风，瞬时最大风速达28.6 m/s ，风力不低于8 级，主导风向具有随季节变化的特征，对铁路路基工程有很大的破坏作用。

一、风沙形成的原因与其对铁路路基的危害

1.风沙形成的原因。鄂尔多斯高原属于干燥剥蚀高原，沉积有深厚的第四纪冲湖积物质，为沙漠提供了丰富沙源。第四纪以来，内蒙古地区气候日趋干燥，而常年的大风又对疏松裸露的沙质地表起到强烈的风蚀、搬运、堆积作用，逐渐形成沙漠。同时，人类对土地资源的不合理开发，加速了当地土地的沙漠化。

2.风沙对铁路路基的危害。风沙对铁路路基危害主要有路基风蚀和沙埋两种形式。沙漠地区的路堤一般采用当地的粉细砂填筑，易遭风蚀。在风沙的直接作用下，路基上的沙粒或土颗粒被风吹走，出现路基削低、掏空和坍塌等现象，称为风蚀。风沙地区的道床积沙是普遍现象，轻则道砟孔隙贯入沙粒，造成道砟不洁，重则积沙掩埋轨道，当积沙厚度超出轨顶3 cm时，就可能导致机车或车辆脱轨，造成停运事故，这种现象称为沙埋。

二、勘察方法

1.航空遥感图像判释。航空遥感图像具有图像清晰、视野广阔的特点，可从宏观上了解风沙的分布范围、形态特征及发展趋势，为铁路选线、方案比选及地面调查提供依据。分析不同时期的航片，还可量测和推算沙丘的移动方向和速度。

2.地质调绘。地质调绘的目的是详细查明线路范围内风沙发育的特征，从而进一步对线路方案进行优化，为风沙路基的设计提供依据。其主要工作就是进行详细的工程地质调绘，将风沙分布情况在地形图上进行勾绘，完成工程地质图的填绘工作。

3.现场勘探。现场勘探的主要目的是确定砂土的密实程度，从而确定砂土地基的承载力。确定地基承载力的方法主要有载荷试验法、静力触探法和标准贯入法等，不同方法的工作量及其适用性和精度是不同的。载荷试验繁杂、费用高且耗费时间，不易实施；静力触探试验适用于松散的风沙，但遇到较密实的砂土就无法下压；标准贯入试验操作简单快捷，在野外较实用。

4.室内试验要求。陶–上线线地层主要为砂层，由于无法采取原状样，因而风沙土力学试验只能采用扰动样：根据具体情况，配制不同密度的沙样进行试验，以求得不同密度风沙土的力学参数。对于扰动土样，主要作风沙土样的分类定名、颗粒成分分析、化学成分和矿物成分分析、沙土的含盐分情况及盐分对水泥和钢材的腐蚀性等分析。

5.定位和半定位观测。对危害大并且防治困难的大范围流动沙丘应进行定位和半定位观测。此项观测主要包括风沙运动、地表风蚀强度、沙丘移动及气象要素等内容。观测风沙运动时，可使用集沙仪和手持风速仪等在不同性质的地表和沙丘的不同部位（如迎风坡、坡腰、丘顶和背风坡脚以及两翼等）进行测算。观测风沙运动不仅有助于人们认识风成地貌形成发育的内在机理，而且可以为防风固沙措施的设计和配置提供科学依据。对地表风蚀强度进行观测，还可以获得风蚀强度和地面组成物质之间的关系。测量流动沙丘迁移速度的方法主要有调查访问法和现场观测法两种。调查访问法是通过调查历史遗迹，访问居民等方式，了解道路、地物等被砂埋和变迁的情况，大致确定沙丘移动速度和方向。

三、路基设计原则及防护措施

1.路基设计原则。结合陶–上线风沙发育特点，其路基设计采用了如下几点原则。

（1）路基面形状和宽度。路基面设计为三角形路拱，由路基中心线向两侧设4%的“人”字形排水坡。

（2）路堤、路堑边坡形式采用直线型，边坡高度h≤6 m时，边坡坡率采用1∶1.75;边坡高度h＞6 m时，边坡坡率采用1∶2.0。坡面防护原则是：坡面采用树枝沙障，沙障内栽种沙柳防护，路肩采用C20混凝土预制块防护。边坡高度5 m ≤ h ≤ 8 m时,边坡坡面采用C15混凝土六棱空心砖护坡，空心砖内植草皮防护。边坡高度h＞8 m时，采用C20混凝土截水骨架护坡防护，骨架内种沙柳。边坡高度h ≥ 4 m时铺设土工格栅。路堑地段设置侧沟及宽度不小于2 m的积沙平台，积沙平台用混凝土块板铺砌加固。

（3）设置防护带。在迎风侧200 m、背风侧100 m范围内采用树枝沙障固沙，沙障内栽种沙柳、柠条等固沙植物。迎风侧植被保护带宽度为400 m，背风侧植被保护带宽度为150 m。路堤地段和路堑地段风沙防护带设置方式如图1、图2所示。

2.风沙防护措施。铁路通过风沙区时，对风沙治理的基本原则为：保证路基本体的稳定， 避免路基受到风蚀和沙埋，同时对沿线两侧一定范围内的风沙进行治理， 促使沿线自然环境由沙漠化向非沙漠化方向转化。笔者现结合陶上线特点，对风沙路基防护提出以下几点建议：

（1）施工设计应因地制宜。路基工程设置时应尽可能避免长大深挖或高填路基，必要时可采用敞开式浅路堑，风沙路堑地段设置积沙平台；应对路肩、坡面以及路堤坡脚和堑顶外地表进行防护。应根据当地的自然条件和沙害类型，选择合适的防沙、固沙措施，可采用草方格、截沙沟、黏土或碎石包坡等多种方法相结合的方式，因地制宜，就地取材。

（2）采用多种防沙措施。线路两侧的工程防沙措施可以归为固、阻、输、导等种类型。常见的固沙措施主要是设置沙障，有平铺式沙障和立式沙障两种；阻沙措施一般可分为墙式、堤式、栅式和带式四种；输沙措施有浅槽和风力堤输沙、浅槽输沙、聚风板输沙三种；导沙设施有导沙墙、导沙板两种类型。

（3）植物固沙。植物固沙是一种长期有效的治本措施。在条件许可的情况下，应优先选用植物固沙措施。建造防风固沙林带、保护固沙植物和天然植被是治理路基沙害、避免产生新的沙源、防止沙化蔓延的有效措施，对治理风沙有一劳永逸的效果。需要注意的是，采用植物固沙措施时，应禁止在固沙范围内放牧，并提高防火和环保意识。