风沙地区铁路地质选线原则及工程地质勘察要点

刘建新

(锦州铁道勘察设计院有限公司，辽宁锦州　121000)

我国沙漠和沙漠化土地的分布范围相当广阔，西起新疆、东至黑龙江，断续展布于我国北部的干旱、半干旱及部分半湿润地区。经风力作用后，沙土表现出与母体不同的特点：松散，颗粒圆化，粉粒及黏粒流失，颗粒粒径基本为同一量级(0.05～0.5 mm)，以其流动性、分散性为显著特点[1]。

内蒙古地区地域辽阔，煤炭资源丰富，发展潜力巨大，但交通不便。随着西部大开发战略的实施，西煤东运势在必行，国家投入大量的资金新建赤大白铁路工程、锡林郭勒至乌兰浩特铁路工程、巴彦乌拉至新邱铁路工程以及集宁至通辽铁路增建二线工程、通辽至霍林河铁路增建二线工程，以上工程部分铁路线路穿越风沙地区；风沙地区铁路地质选线及勘察方法尤其重要，只有正确的认识风沙地区工程地质性质，充分发挥风沙地基潜力，才能加快建设进度，降低工程造价，减少运营维护成本。结合以上工程，阐述风沙地区铁路地质选线原则及工程地质勘察方法。

1　风沙地区铁路地质选线原则

在风沙地区修建铁路，选择恰当的线路是防止铁路沙害最有效、最经济的措施。

(1)线路宜绕避风沙危害严重地段；线路必须穿过沙漠地区时，应尽可能选择在沙害较轻的地带通过，如河岸、湖岸以及盐渍土分布的地带，沙漠前沿的固定、半固定沙丘地带，沙丘下埋伏有古河床的地带以及地下水溢出地带，大山或高地的前缘背风地带等。

(2)线路走向宜与主风向平行，不设或少设曲线，必须设置曲线时应避免采用小半径，并宜将曲线设计为路堤，外侧朝向主风方向；线路宜采用路堤，高度不宜小于1m；避免采用零断面、半堤半挖及路堑，特别是长深的路堑，必要时可采用敞开式浅路堑。

(3)涵洞宜采用大孔径。

(4)线路宜靠近水源、防护材料产地和既有天然防护林带地段，并应设计在林带背风一侧。

(5)大型车站应选择在风沙轻微地段，避开有风沙活动的隘口处，站房和住房应朝向背风方向。

(6)铁路的修筑总会改变原始地貌形态，改变风沙流结构，破坏蚀积平衡，甚至在非流沙区也产生流沙。因此，选线时线路尽可能少的改变原始地貌形态，不能出现高大的路堤和深路堑。穿越沙丘链时，选择从高度较低的垭口处通过，并可采用地堑式路基，此处风力强劲，可避免路面积沙[2]。

2　地质选线实例

2.1　工程地质概况

巴彦乌拉至新邱新建铁路工程奈曼(K130+000)至黑鱼泡子(K204+000)间线路穿越科尔沁沙地，地形总的趋势是西北高、略向东南方向倾斜，高程由450 m下降到407 m。受过度放牧、过度垦殖等人类活动影响，沿线植被稀疏，以活动沙丘及半固定沙丘为主。受主导风向影响(冬春季的WNW及W风，沙丘移动方向为ESE)，沙丘一般呈西北—东南向排列，一般高3～6 m，局部可高达30余m。半固定沙丘呈斑点状散布在固定沙丘之间，多为固定沙丘上的植被遭受破坏后形成，半固定沙丘受风力作用较强，出现了裸露的沙面。地表植物以沙蒿、雪里旺、沙柳、柠条及杂草为主，宏观覆盖率约10%～70%不等。局部线路附近为剥蚀残丘，相对高差10～25 m，最大高差达40 m。丘坡较缓，坡脚及丘间洼地多为风积沙覆盖，背风坡处风积沙可覆盖到半山腰[3]。

2.2　地质选线建议

绕避：线路选线尽量绕避流动沙丘，应尽可能选择在沙害较轻的地带通过。线路应布设在丘间低地，靠近前方沙丘迎风坡脚处，如因丘间低地在雨季有积水而需要提高线路时，可直接布设在迎风坡腰部，线路从一个丘间低地到另一个丘间低地的沙丘间空隙穿过。

有利的风向：线路东西向穿越科尔沁沙地沙地，尽量与冬春季WNW风并行(减少线路走向与主导风向的夹角)。这种情况下，沙丘的移动方向顺着路基延伸的方向移动，可减少风沙对路基的风积沙。

加大涵洞孔径：风沙地区，冬春季植被覆盖率较低，风吹沙起，易在涵洞低洼处堆积，堵塞涵洞；该段风沙路基区涵洞孔径一般为3.0 m。

利于防沙工程的布设：线路DK130+000～DK150+000处于沙漠与胶莱河结合部，即靠近胶莱河汇水面，更临近沙漠。该地段靠近水源，有利于提高植被的成活率，达到防风固沙的效果。

车站的布设：黑鱼泡子站位于风沙轻微地段，站房位于线路的左侧(即背风方向)。

2.3　工程建设效果

巴彦乌拉至新邱新建铁路工程奈曼(K130+000)至黑鱼泡子(K204+000)间线路工程施工基本完毕，该段改变原始地貌形态较小，植被破坏较小。虽冬春季风较大，除个别低洼地段存在风积沙现象外，整体路基情况良好。

3　风沙地区铁路工程地质勘察要点

风沙地区工程地质勘察方法主要包括工程地质调绘、野外勘探及土工试验等。

3.1　工程地质调绘

(1)风沙地貌的调查

风积地貌按沙丘活动程度可分为流动沙丘(植被覆盖率15%以下)、半固定沙丘(植被覆盖率15%～40%)、固定沙丘(植被覆盖率40%以上)；按沙丘的成因形态可划分为横向沙丘和纵向沙丘，横向沙丘分为新月形沙丘，以及沙丘链、格状沙丘及格状沙丘链；纵向沙丘分为新月形沙垄和复合型沙垄[4]。风积地貌调查主要内容有：沙丘的相对高度，包括最大高度、最小高度和平均高度；沙丘的间距，包括最大间距、最小间距和平均间距；沙丘迎风坡和背风坡长度、坡度和走向；沙丘的排列方向；沙丘个部位表层结皮情况及干沙层厚度；对于草灌沙堆，应调查其植被种类和高度。

风蚀地貌可划分为风蚀洼地、风蚀残丘、风蚀城堡；风蚀地貌调查主要内容有：风蚀洼地的长度、宽度、深度测量；风蚀沙地的轮廓、排列方向以及底部组成物质的测量和描述；风蚀残丘的高度、宽度以及相互间的间距测量；风蚀残丘的组成物质，形态特征和排列方向的测量和描述。

沙漠化土地地貌调查主要内容有：地表组成物质的特征，包括颗粒组成、矿物成分、结构和胶结物等；沙漠化发展过程中地表形态的变化；半固定沙丘、固定沙丘植被破坏后，发展成流动沙丘的过程[5，6]。

(2)风沙区植被条件调查

沙丘生长植被后，增加了表面的粗糙度，可以大大削减近地表的风速，减少沙粒的搬运量。风沙区植被条件调查主要内容有：查明植物的种类、状况、分布特点、演替过程及固沙作用，对主要植物群落，要选用标准地作为样方调查，将植物的名称、株高、覆盖率、根系等特征进行记录。了解工程区内的植被种类，可为以后植物防沙选择固沙植物。

(3)水文地质条件

沙漠地区缺乏地表水，地下水是沙漠地区唯一水源，合理利用风沙地区有限的地下水资源是工程建设、植被生长、生产生活的前提。因此，沙漠地区工程地质勘察必须查明地下水类型、埋藏条件、地下水位动态变化及其季节性变化幅度，地下水补给、径流、排泄等条件及土层含水量的变化规律。

(4)当地材料调查

铁路工程建设离不开天然建筑材料，且用量多，用量大，应尽量就地取材。沙漠下伏地层多属河湖相冲积—洪积物，可以找到黏土、中粗砂、砾石等建材；沙漠下伏基岩，由于长期的风化剥蚀，表层有一层残积的碎石层，在丘间低地出露地表，可供开采。风沙地区生态环境比较脆弱，地建筑材料的开采势必导致生态环境

的恶化，应从环境地质角度，科学合理地利用天然建筑材料，使工程建设与自然环境和谐发展。

3.2　野外勘探及测试

在检测地面下一定深度风沙土的物理指标时，可采用护筒挡沙的方法，把护筒插入沙地，掏去筒内沙土，到一定深度再取样。用护筒方法只能采取2 m以内深度的沙样，更深的可用钻孔方法，所取沙样可做粒度分析，化学成分和矿物成分实验。风沙土湿润时有微弱的黏聚力，条件允许时，可采用浸湿风沙土的方法来取样。

现场试验主要是确定沙土地基的承载力。确定地基承载力的方法主要有:载荷试验法、动力触探法、旁压试验法、静力触探法和标准贯入法。不同方法适用性和精度是不同的。受场地条件的限制，建议沙漠地区采用准贯入试验和动力触探试验仪器，操作简单快捷，在野外较实用。尤其轻型动力触探试验更适用于颗粒细小、相对均匀的风沙土地基，方便直接测试出风沙路基表层砂类土的承载力，为路基设计准确的地质参数。

3.3　土工试验

风沙土极为松散，一般不能取得原状样，某些必须用原状样检测的物理量，如密度和含水量，可在现场直接测试。扰动土样可用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[7]。风沙土的自然休止角可在室内测定，也可通过在现场调查沙丘落沙坡坡角的方法来确定，现场确定的自然休止角更适宜于铁路路堑边坡设计。

4　结论

风沙地区特殊的地质环境性决定了地质选线的重要性，通过详实野外地质调绘，正确认识风沙区地貌形态、植被情况；选用科学的勘探手段，合理布置勘探孔，准确的试验数据，揭示风沙区的工程地质特征，为线路的选线、风沙区防护提供详实可靠地地质参数以及工程措施意见。通过对锡乌线、集通线、通霍线、巴新线、郭白线、大郑线等工程设计回访，线路穿越风沙区，路基、路堑边坡稳定，除极个别地段存在沙害外，线路整体运行良好。科学的地质选线、合理的勘察方法提高了工程施工进度，减少了工程造价，降低了运营维护成本，使工程建设与自然环境更加和谐。

[1]高大钊.岩土工程的回顾与前瞻[M].北京：人民交通出版社，2001：332-346

[2]TB10027—2001铁路工程不良地质勘察规程[S]

[3]张立强.巴彦乌拉至新邱新建地方铁路工程地质说明书[Z].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2008:10-11

[4]吴正.风沙地貌学[M].北京：科学出版社，1987:133-138

[5]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999:354-355

[6]TB10053—98铁路工程地质风沙勘测规则[S]

[7]TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S]

[8]刘春明.铁路选线应综合考虑的主要问题[J].铁道勘察，2007(2)：69-72