臨策鐵路天鵝湖至額濟納段線路及防沙工程方案研究

王國聯，張道金

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 項目工程概況

新建臨河至策克鐵路位于我國內蒙古自治區西部的巴顏淖爾市、阿拉善盟境內。項目東起京蘭通道包蘭鐵路的臨河車站，向西北方向依次經巴顏淖爾市的杭錦后旗、阿拉善盟的圖克木、蘇紅圖、天鵝湖和額濟納旗，然后向北利用嘉策鐵路至策克口岸，線路全長755.159 km。

本項目按國鐵Ⅱ級、單線、內燃牽引設計，速度目標值120 km/h，近期列車12～19對/d。該項目也是規劃的臨河至哈密鐵路的東段部分，其修建不僅可促進沿線地區的經濟發展，有利于加強西北地區，尤其是新疆地區與華北、東北地區的交通聯系，促進兩地間的經濟交流與合作，更是配合我國資源、能源戰略，加快開發利用蒙古國礦產資源，實施國家的礦產資源全球戰略，對保障國民經濟可持續發展具有重大的意義，也是解決蒙古國那林素海特煤田的煤炭開發和運輸問題的關鍵工程。

額濟納旗是臨策鐵路(也是臨哈鐵路)線路所經中間地段唯一的旗府所在地，國家級胡楊林保護區分布在旗鎮的東部，周邊同時分布有大量流動沙丘(是巴丹吉林沙漠的北部邊緣)。本項目結合臨哈鐵路走向及額濟納旗鎮設站規劃等對經過胡楊林保護區線路方案、繞避胡楊林保護區(經流動沙丘)線路方案進行了研究，同時對經由流動沙丘地段線路進行了防沙工程措施方案的研究比較。

2 工程自然地理及環境特征

2.1 工程自然地理特征

2.1.1 地形地貌

線路地處內蒙古阿拉善剝蝕高平原區，自東向西穿越狼山山脈后，行走于巴丹吉林沙漠北部邊緣的廣袤戈壁荒漠，橫過八道橋流動沙丘段，至額濟納沖積平原區。沖積平原主要展布在額濟納綠洲，地形平坦、開闊，河谷寬淺，支流眾多，平原寬達15～20 km，胡楊、紅柳、梭梭等植被發育。

區域內風積沙丘以固定、半固定沙丘、平沙地及新月形沙丘鏈為主，沙丘鏈高2～15 m，呈北東－南西走向，北西向迎風面坡度較緩，南東側背風面坡度較陡。沿線風積沙丘分布在蘇紅圖東側和額濟納綠洲外沿八道橋一帶，在蘇紅圖的東側以固定、半固定沙丘及平沙地為主，八道橋一帶則以新月形沙丘鏈為其主要特征。

2.1.2 工程地質及水文地質

地層巖性:基底表層為第四系全新統沖積形成的細砂、粉砂夾粉質黏土、黏土層，下部為第四系上更新統洪積細砂夾粉質黏土、黏土、粉土;上部覆蓋的風積砂主要為粉細砂，粒徑大于0.075 mm顆粒的質量超過總質量的75%。線路經過地段地質構造不發育，第四系覆蓋層厚度大于30 m。

2.1.3 氣象

區域屬典型的北溫帶大陸性干旱氣候區，光照充足、熱量豐富，降水量少，蒸發量大。冬季嚴寒，夏季酷熱，晝夜溫差大，春冬季節有沙塵暴。年平均降水量35.2 mm，年蒸發量3 399.6 mm。四季盛行西風、西北風，年平均風速3.2 m/s，最大風速25 m/s;大風(≥8級)日數38.4 d，沙塵暴日數10.7 d，揚沙日數48.6 d。

2.2 工程自然環境特征

工程沿線吸引范圍內自然保護區等生態敏感區分布較多。與本工程線路方案有關的生態敏感區為內蒙古額濟納胡楊林國家級自然保護區。胡楊林保護區有一級保護動物蒙古野驢、野馬、雙峰駝、北山羊、黑鸛、波斑、遺鷗，二級保護動物荒漠貓、猞猁、水獺、鵝喉羚、盤羊、巖羊、白琵鹿、赤頸鴨、蒼鷹，二級保護植物野大豆、沙冬青、甘草、肉蓯蓉及特有動物雙峰駝、鵝喉羚，特有植物胡楊、肉蓯蓉。

3 天鵝湖至額濟納線路走向方案研究

該段線路走向受控于胡楊林保護區、流動沙丘范圍、額濟納旗設站及遠期臨哈線線路走向等因素控制，根據新建臨策鐵路環評報告和設計審查意見，結合胡楊林保護區范圍、額濟納旗城鎮規劃、沿線工程地質情況及遠期臨哈線線路走向，研究了沿312省道穿越胡楊林保護區線路方案(方案Ⅰ)、額濟納旗南側繞避胡楊林保護區線路方案(方案Ⅱ)和額濟納旗北側繞避胡楊林保護區線路方案(方案Ⅲ)。

天鵝湖至額濟納段線路方案示意見圖1。

圖1 天鵝湖至額濟納段線路方案示意

3.1 沿312省道穿越胡楊林保護區線路方案(方案Ⅰ)

線路自天鵝湖沿S312公路南側西行，經八道橋后折向西南行，進入額濟納國家胡楊林保護區實驗區范圍。至七道橋線路折向南至巴顏桃來農場南側折向西北，于王爺府西南側跨二道河并上跨S312公路及黑河水利灌溉渠工程，之后線路向西跨頭道河、S315公路，在旗鎮規劃環城路北設額濟納車站。出站后，線路折向西北接入嘉策線額濟納(西)站。線路新建長度61.463 km，遠期聯絡線長度19.48 km，工程投資估算為28 880.6萬元，較方案Ⅱ少10 871.2萬元。

3.2 額濟納旗南側繞避胡楊林保護區線路方案(方案Ⅱ)

線路自天鵝湖后折向西南沿沙丘邊緣，行經進素圖諾爾、敖木尕夏拉，沿保護區南側向西南行，至蘇亥爾雜格折向西北從東河分水閘上游跨過昂茨河，經二號山西南側，跨納林河后設額濟納車站，出站后跨越S312公路接入嘉策線額濟納(西)站。線路新建長度68.965 km，較方案Ⅰ長7.502 km，遠期聯絡線長度20.52 km。工程投資估算為39 751.8萬元。

3.3 額濟納旗北側繞避胡楊林保護區線路方案(方案Ⅲ)

線路自天鵝湖后折向西北方向，跨越S312公路，沿沙丘邊緣行，經八道橋、敖包圖博日格，跨越哈勒蘇亥河、西敖包郭勒和既有S315公路，引入嘉策線烏蘭木圖站，遠期臨哈線引入額濟納西站，北上至策克可利用既有嘉策線58.95 km。線路新建長度63.168 km，較方案Ⅰ長1.705 km，遠期聯絡線長度23.70 km。工程投資估算為31 155.5萬元，較方案Ⅱ少8 596.3萬元。

天鵝湖至額濟納線路方案工程投資比較見表1。

表1 天鵝湖至額濟納線路方案工程投資比較

3.4 方案分析比較

各方案影響因素(優缺點)綜合分析比選見表2。

表2 天鵝湖至額濟納線路方案相關因素比較

由表2可知，方案Ⅰ線路最短，基本不受風沙影響，投資最省，但對環境影響較大;額濟納旗胡楊林保護區為國家級自然保護區，也是世界上三大胡楊林之一，是沙漠中防沙固土的珍稀植物，線路穿越不符合環境評價的要求，需要繞避。方案Ⅲ所設額濟納車站站位距額濟納約15 km，需穿越約5.0 km的流動沙丘與半固定沙丘，工程地質條件較差，車站位置也距額濟納城鎮較遠。方案Ⅱ線路最長，需穿越8.08 km流動沙丘，工程地質條件最差，但站位適應額濟納城鎮規劃，遠期接臨哈鐵路最順直。

綜合比較，選擇推薦方案Ⅱ，即額濟納旗南側繞避胡楊林保護區線路方案。

4 額濟納旗南側繞避胡楊林保護區線路經風沙段地質選線方案比較及防沙工程措施研究

南側繞避胡楊林方案(GDK574+000～GDK636+964.89)，長約69 km，先后經過戈壁平原、風蝕殘丘、流動沙丘、額濟納沖洪積平原區。線路分別在GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880兩段通過流動沙丘，共長約8 080 m。流動沙丘處于巴丹吉林沙漠的北部邊緣區，GDK585+720～GDK592+380段原地面海拔高度為918.9～924.9 m，GDK597+460～GDK598+880段原地面海拔高度930 m左右，流動沙丘相對地面高3～8 m，局部高約10 m，呈鏈狀、壟狀，走向北東向，與風向垂直;受河流及紅柳林影響，局部地段沙丘走向呈東西向。沙丘呈向南、向東發展趨勢。

在線路走向確定為南側繞避胡楊林保護區方案的基礎上，結合航空影片的地形地貌判釋(表3)，以及現場外業大面積調查測繪工作，進行線路地質選線方案研究工作，分別研究了沿胡楊林保護區邊沿方案、中間沙地穿越方案和南側流動沙丘穿越方案。

表3 南側繞避胡楊林保護區線路地貌類型分段

南側線路經流動沙丘段局部方案示意見圖2。

4.1 沿胡楊林保護區邊沿方案(方案一)

經過多年的侵蝕和堆積，既有保護區的南側邊界已有相當部分被較高的風沙鏈所覆蓋，局部地段沙丘已侵入到保護區范圍以內，線路難以在保護區邊界和沙丘之間尋找到一條可行的通道。研究結果顯示，即使采用較小的曲線半徑，線路也不能完全避開保護區范圍，而且還需要穿越較高的沙丘。

4.2 南線中間沙地穿越方案(方案二)

經過外業實地大面積調查，小里程端原有的風沙鏈之間的平沙地已被沙丘所覆蓋，局部沙丘高達20 m以上;中間部分沙丘南侵嚴重，大片紅柳林谷地被沙埋而死亡，形成流動沙丘;大里程端的紅柳林谷地被進一步壓縮，與外側平原的通道已被沙丘鏈阻隔。綜合結果顯示，該通道風沙的作用較強，風沙堆積的速度較大，線路通過的危險性很大。

圖2 南側線路經流動沙丘段局部方案示意

4.3 南側流動沙丘穿越方案(方案三)

根據1/5萬地形圖及2005年航片影像，線路方案位置處于八道橋南側新月形沙丘鏈的最薄弱部位，沙丘高度較矮，穿越流動沙丘的長度也最短。線路位置南側邊沿為一河流，是額濟納河每年3月和10月份上游放水時向天鵝湖注水的通道，河流南側的沙丘比較高大。對比分析表明，在小里程端(進素圖端)風沙有一定程度的南移和東侵，其他地段的風沙變動趨勢較小。2006年的外業實地調查也證實，小里程端的紅柳林谷地的北側邊沿的一些紅柳等沙生灌木已被沙埋而死亡。綜合分析結論:由于北側的沙壟和南側河流的阻擋，該通道風沙活動相對較弱，變化較小;特別是河流的作用，使得地下水埋藏較淺，局部地段紅柳等灌木仍然存活和生長，這也抑制了沙丘的發展速度。但風沙活動的作用還是在緩慢的增強，沙丘鏈間的紅柳林谷地正在被壓縮，沙丘南移和東移較明顯。

綜合以上分析，推薦南側流動沙丘穿越方案為貫通方案。

4.4 經由南側流動沙丘地段工程及防沙措施方案研究

國內受風沙影響的鐵路主要有包蘭鐵路、神延鐵路、烏海至吉蘭泰鐵路和清賽專用線等，其中包蘭線的沙坡頭風沙綜合治理最為成功。國外蘇丹沙漠鐵路主要采用人工清理的方法通行。它們的主要特征參見表4。

表4 國內外風沙鐵路綜合治理主要特征

由表4可知，目前國內主要采用路基形式通過，一般選擇在具備植物生長條件的地方，而在干旱少雨且不具備植物生長的地段，往往風沙危害嚴重，難以根治。

結合沙丘分布情況、工程地質條件和水文地質條件，本段線路防沙工程先后研究了風沙路基通過方案、橋梁跨越方案、防沙棚結構方案、防沙明洞結構等4個方案。

4.4.1 風沙路基通過方案

對分布在 GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880段流動沙丘采用風沙路基通過方案，平面植被防護長7 800 m，防護寬度上風側(右側)坡腳15 m外550 m、左側坡腳15 m外350 m范圍內采用植被和草方格固沙，并在外側空留帶邊緣設置高立式沙障。配合植物防護，需設置水井3處，設置一套滴灌設備。設治沙工區一處，新建20 m2房屋1間，配備必要的工器具設備。工程投資2 450.41萬元。

4.4.2 橋梁跨越方案

采用橋梁方案跨越流動沙丘地段，橋長分別為6.66 km和1.42 km。

橋兩側平面范圍內采用植被防護，長8 080 m，防護寬度上風側(右側)坡腳15 m外220 m、左側坡腳15 m外120 m范圍內采用植物和草方格固沙，并在外側空留帶邊緣設置高立式沙障。配合植物防護，需設置3處水井。工程投資17 886.17萬元。

4.4.3 防沙棚結構方案

采用防沙棚結構方案穿越流動沙丘地段，防沙棚結構設計形式為高強度樹酯玻璃鋼蓋板及鋼管拱+鋼筋混凝土組合結構。其下部為U形鋼筋混凝土結構，由兩側側墻和底板組成;其上部為防沙棚蓋板，由鋼管半圓拱及縱、橫向聯結系構成骨架，上覆玻璃纖維增強塑料復合板。結構總高度約9 799 mm，有效凈空面積45.68 m2。防沙棚結構總長8 080 m，工程投資14 106.064萬元。

4.4.4 防沙明洞結構方案

采用防沙明洞結構方案穿越流動沙丘地段，防沙明洞結構建筑限界采用電力牽引鐵路KH－200橋隧建筑限界、并滿足雙層集裝箱開行條件，預留單側救援通道，內軌頂面以上面積不小于52 m2。防沙明洞結構總長8 080 m，總概算144 052 334元。

防沙明洞結構如圖3所示。

圖3 防沙明洞結構

4.4.5 研究分析及結論

采用風沙路基通過方案工程簡單，一次性投入少，但對沙漠的防護范圍很大，后期維修養護費用巨大，需增設防沙工區，工作條件差。本區是嚴重缺水地區，每年需二次外調放水進居延海，保證胡楊林用水。如采用滴灌技術，抽取地下水，將對胡楊林的生長產生極大影響，防護效果也不理想，路基容易受到風蝕和沙埋，且存在很大風險，有可能一夜之間，所有的防護全部破壞，不能根除風沙隱患，工程完成后運營安全難以保障。

采用橋梁跨越流動沙丘方案，工程措施簡單，但橋梁的跨度和凈高難以確定，而且已有橋梁跨越沙丘地資料顯示橋墩處會出現嚴重積沙，基礎設計需考慮積沙荷載，基礎工程量大，同時橋面軌道也可能積沙，工程可靠度不高，不能完全根除風沙隱患，工程完成后運營安全保障性較差。工程投資估算也最大。

采用防沙棚結構方案，基本適應防護需要，防護工程相對較小，可根除風沙隱患，工程完成后運營安全。但工程技術需進一步研究和創新，從施工難易程度及工期控制來講，防沙棚結構施工需進行鋼筋混凝土的澆筑、鋼管及聯結系的安裝、棚面板的鋪設等，因相關類工程施工經驗較少，施工組織及施工管理相對較難，工期相對較難控制，存在一定的技術風險。

采用防沙明洞結構方案，從設計及施工技術角度看，雖然明洞結構對地基承載力要求高，需考慮通風、照明和維修設施的配備，但明洞作為隧道結構其設計與施工具有成熟的技術，其結構整體性好、抗風蝕能力強、使用壽命長，施工組織及施工管理相對較容易，工期易于掌控，可根除風沙隱患，工程完成后運營安全。

研究比較，經流動沙丘地段防沙工程措施推薦采用防沙明洞結構方案。

5 結語

臨策鐵路防沙明洞(1號明洞、2號明洞)，是目前我國僅有的2座因通過沙漠地段防沙而修建的明洞。以明洞結構作為防沙措施，確保鐵路后期運營不受風沙侵襲，是我國鐵路及交通設計的一個嘗試。其修建經歷了環保選線、地質選線和工程選線的研究比較過程，集中反映了我國當前鐵路設計應貫徹環保優先、依法選線的原則和理念，同時在滿足鐵路運營安全的前提下，選擇結構安全、施工簡單、具有成熟技術和經驗的工程防護措施。臨策鐵路防沙明洞建成后，內蒙古自治區境內其他經由風沙地段鐵路先后進行了防風沙明洞結構設計的研究。這一工程結構對國內外經由風沙、雪埋地段等同類型鐵路、公(道)路的防風、防沙、防雪措施結構設計有一定設計指導和借鑒意義。

［1］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建臨策線烏蘭敖包至策克段初步設計［R］.北京:2006.

［2］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建臨策線烏蘭敖包至策克段初步設計審查后補充資料料［R］.北京:2006.

［3］中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路臨河至策克線工程環境影響報告書［R］.西安:2006.

［4］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.新建臨策線烏蘭敖包至策克段施工圖［R］.北京:2008.

［5］龔 平.運用環境影響評價原理指導交通工程建設項目環保選線［J］.鐵道標準設計，2010(6):1-4.

［6］王錫來，王在廣，張登緒.戈壁地區鐵路沙害成因及工程防護初步研究［J］.路基工程，2000(6):44-50.

［7］朱國勝，李克云.烏吉鐵路沿線沙害分析及綜合治理途徑［J］.中國沙漠，1999(1):56-59.

［8］凈文常，李小紅.沙漠地區鐵路路基沙害及選線設計［J］.路基工程，1999(3):52-55.

［9］王錫來，蔣育華.礫漠地段鐵路沙害成因及防治［J］.中國地質災害與防治學報，2002(1):37-44.

［10］邸耀全，張克智.中國鐵路沙害及其防治［M］.北京:中國環境科學出版社，1998:46-67，49-59.

［11］史培軍，張 宏，王 平，周武光.我國沙區防沙治沙的區域模式［J］.自然災害學報，2000，9(3)2:1-7.

［12］裴立軍.風沙地區鐵路路基設計探討［J］.鐵道標準設計，2010(7):8-10.

［13］薛增利.沙漠地區鐵路沙害及路基工程防護設計［J］.路基工程，2001(2):18-20.