風(fēng)沙地區(qū)鐵路工程地質(zhì)勘察方法及路基設(shè)計(jì)探討

河南省鄭州市中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 鄭州設(shè)計(jì)院 張 磊

風(fēng)沙地區(qū)鐵路工程地質(zhì)勘察方法及路基設(shè)計(jì)探討

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新建鐵路陶利廟至上海廟線（以下簡(jiǎn)稱(chēng)陶–上線）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗、鄂托克前旗境內(nèi)，線路全長(zhǎng)約195 km， 風(fēng)沙路基長(zhǎng)約42 km。陶–上線位于毛烏素沙漠邊緣區(qū)，經(jīng)過(guò)區(qū)高程在1 270～1 500 m。該地區(qū)形波狀起伏，地表多為半固定沙丘，有部分流動(dòng)沙丘和沙丘鏈，沙丘高2～20 m。據(jù)氣象資料，當(dāng)?shù)囟啻箫L(fēng)，瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)28.6 m/s ，風(fēng)力不低于8 級(jí)，主導(dǎo)風(fēng)向具有隨季節(jié)變化的特征，對(duì)鐵路路基工程有很大的破壞作用。

一、風(fēng)沙形成的原因與其對(duì)鐵路路基的危害

1.風(fēng)沙形成的原因。鄂爾多斯高原屬于干燥剝蝕高原，沉積有深厚的第四紀(jì)沖湖積物質(zhì)，為沙漠提供了豐富沙源。第四紀(jì)以來(lái)，內(nèi)蒙古地區(qū)氣候日趨干燥，而常年的大風(fēng)又對(duì)疏松裸露的沙質(zhì)地表起到強(qiáng)烈的風(fēng)蝕、搬運(yùn)、堆積作用，逐漸形成沙漠。同時(shí)，人類(lèi)對(duì)土地資源的不合理開(kāi)發(fā)，加速了當(dāng)?shù)赝恋氐纳衬?/p>

2.風(fēng)沙對(duì)鐵路路基的危害。風(fēng)沙對(duì)鐵路路基危害主要有路基風(fēng)蝕和沙埋兩種形式。沙漠地區(qū)的路堤一般采用當(dāng)?shù)氐姆奂?xì)砂填筑，易遭風(fēng)蝕。在風(fēng)沙的直接作用下，路基上的沙粒或土顆粒被風(fēng)吹走，出現(xiàn)路基削低、掏空和坍塌等現(xiàn)象，稱(chēng)為風(fēng)蝕。風(fēng)沙地區(qū)的道床積沙是普遍現(xiàn)象，輕則道砟孔隙貫入沙粒，造成道砟不潔，重則積沙掩埋軌道，當(dāng)積沙厚度超出軌頂3 cm時(shí)，就可能導(dǎo)致機(jī)車(chē)或車(chē)輛脫軌，造成停運(yùn)事故，這種現(xiàn)象稱(chēng)為沙埋。

二、勘察方法

1.航空遙感圖像判釋。航空遙感圖像具有圖像清晰、視野廣闊的特點(diǎn)，可從宏觀上了解風(fēng)沙的分布范圍、形態(tài)特征及發(fā)展趨勢(shì)，為鐵路選線、方案比選及地面調(diào)查提供依據(jù)。分析不同時(shí)期的航片，還可量測(cè)和推算沙丘的移動(dòng)方向和速度。

2.地質(zhì)調(diào)繪。地質(zhì)調(diào)繪的目的是詳細(xì)查明線路范圍內(nèi)風(fēng)沙發(fā)育的特征，從而進(jìn)一步對(duì)線路方案進(jìn)行優(yōu)化，為風(fēng)沙路基的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其主要工作就是進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)調(diào)繪，將風(fēng)沙分布情況在地形圖上進(jìn)行勾繪，完成工程地質(zhì)圖的填繪工作。

3.現(xiàn)場(chǎng)勘探。現(xiàn)場(chǎng)勘探的主要目的是確定砂土的密實(shí)程度，從而確定砂土地基的承載力。確定地基承載力的方法主要有載荷試驗(yàn)法、靜力觸探法和標(biāo)準(zhǔn)貫入法等，不同方法的工作量及其適用性和精度是不同的。載荷試驗(yàn)繁雜、費(fèi)用高且耗費(fèi)時(shí)間，不易實(shí)施；靜力觸探試驗(yàn)適用于松散的風(fēng)沙，但遇到較密實(shí)的砂土就無(wú)法下壓；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷，在野外較實(shí)用。

4.室內(nèi)試驗(yàn)要求。陶–上線線地層主要為砂層，由于無(wú)法采取原狀樣，因而風(fēng)沙土力學(xué)試驗(yàn)只能采用擾動(dòng)樣：根據(jù)具體情況，配制不同密度的沙樣進(jìn)行試驗(yàn)，以求得不同密度風(fēng)沙土的力學(xué)參數(shù)。對(duì)于擾動(dòng)土樣，主要作風(fēng)沙土樣的分類(lèi)定名、顆粒成分分析、化學(xué)成分和礦物成分分析、沙土的含鹽分情況及鹽分對(duì)水泥和鋼材的腐蝕性等分析。

5.定位和半定位觀測(cè)。對(duì)危害大并且防治困難的大范圍流動(dòng)沙丘應(yīng)進(jìn)行定位和半定位觀測(cè)。此項(xiàng)觀測(cè)主要包括風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)、地表風(fēng)蝕強(qiáng)度、沙丘移動(dòng)及氣象要素等內(nèi)容。觀測(cè)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)時(shí)，可使用集沙儀和手持風(fēng)速儀等在不同性質(zhì)的地表和沙丘的不同部位（如迎風(fēng)坡、坡腰、丘頂和背風(fēng)坡腳以及兩翼等）進(jìn)行測(cè)算。觀測(cè)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)不僅有助于人們認(rèn)識(shí)風(fēng)成地貌形成發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理，而且可以為防風(fēng)固沙措施的設(shè)計(jì)和配置提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)地表風(fēng)蝕強(qiáng)度進(jìn)行觀測(cè)，還可以獲得風(fēng)蝕強(qiáng)度和地面組成物質(zhì)之間的關(guān)系。測(cè)量流動(dòng)沙丘遷移速度的方法主要有調(diào)查訪問(wèn)法和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法兩種。調(diào)查訪問(wèn)法是通過(guò)調(diào)查歷史遺跡，訪問(wèn)居民等方式，了解道路、地物等被砂埋和變遷的情況，大致確定沙丘移動(dòng)速度和方向。

三、路基設(shè)計(jì)原則及防護(hù)措施

1.路基設(shè)計(jì)原則。結(jié)合陶–上線風(fēng)沙發(fā)育特點(diǎn)，其路基設(shè)計(jì)采用了如下幾點(diǎn)原則。

（1）路基面形狀和寬度。路基面設(shè)計(jì)為三角形路拱，由路基中心線向兩側(cè)設(shè)4%的“人”字形排水坡。

（2）路堤、路塹邊坡形式采用直線型，邊坡高度h≤6 m時(shí)，邊坡坡率采用1∶1.75;邊坡高度h＞6 m時(shí)，邊坡坡率采用1∶2.0。坡面防護(hù)原則是：坡面采用樹(shù)枝沙障，沙障內(nèi)栽種沙柳防護(hù)，路肩采用C20混凝土預(yù)制塊防護(hù)。邊坡高度5 m ≤ h ≤ 8 m時(shí),邊坡坡面采用C15混凝土六棱空心磚護(hù)坡，空心磚內(nèi)植草皮防護(hù)。邊坡高度h＞8 m時(shí)，采用C20混凝土截水骨架護(hù)坡防護(hù)，骨架內(nèi)種沙柳。邊坡高度h ≥ 4 m時(shí)鋪設(shè)土工格柵。路塹地段設(shè)置側(cè)溝及寬度不小于2 m的積沙平臺(tái)，積沙平臺(tái)用混凝土塊板鋪砌加固。

（3）設(shè)置防護(hù)帶。在迎風(fēng)側(cè)200 m、背風(fēng)側(cè)100 m范圍內(nèi)采用樹(shù)枝沙障固沙，沙障內(nèi)栽種沙柳、檸條等固沙植物。迎風(fēng)側(cè)植被保護(hù)帶寬度為400 m，背風(fēng)側(cè)植被保護(hù)帶寬度為150 m。路堤地段和路塹地段風(fēng)沙防護(hù)帶設(shè)置方式如圖1、圖2所示。

2.風(fēng)沙防護(hù)措施。鐵路通過(guò)風(fēng)沙區(qū)時(shí)，對(duì)風(fēng)沙治理的基本原則為：保證路基本體的穩(wěn)定， 避免路基受到風(fēng)蝕和沙埋，同時(shí)對(duì)沿線兩側(cè)一定范圍內(nèi)的風(fēng)沙進(jìn)行治理， 促使沿線自然環(huán)境由沙漠化向非沙漠化方向轉(zhuǎn)化。筆者現(xiàn)結(jié)合陶上線特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)沙路基防護(hù)提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）施工設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜。路基工程設(shè)置時(shí)應(yīng)盡可能避免長(zhǎng)大深挖或高填路基，必要時(shí)可采用敞開(kāi)式淺路塹，風(fēng)沙路塹地段設(shè)置積沙平臺(tái)；應(yīng)對(duì)路肩、坡面以及路堤坡腳和塹頂外地表進(jìn)行防護(hù)。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和沙害類(lèi)型，選擇合適的防沙、固沙措施，可采用草方格、截沙溝、黏土或碎石包坡等多種方法相結(jié)合的方式，因地制宜，就地取材。

（2）采用多種防沙措施。線路兩側(cè)的工程防沙措施可以歸為固、阻、輸、導(dǎo)等種類(lèi)型。常見(jiàn)的固沙措施主要是設(shè)置沙障，有平鋪式沙障和立式沙障兩種；阻沙措施一般可分為墻式、堤式、柵式和帶式四種；輸沙措施有淺槽和風(fēng)力堤輸沙、淺槽輸沙、聚風(fēng)板輸沙三種；導(dǎo)沙設(shè)施有導(dǎo)沙墻、導(dǎo)沙板兩種類(lèi)型。

（3）植物固沙。植物固沙是一種長(zhǎng)期有效的治本措施。在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用植物固沙措施。建造防風(fēng)固沙林帶、保護(hù)固沙植物和天然植被是治理路基沙害、避免產(chǎn)生新的沙源、防止沙化蔓延的有效措施，對(duì)治理風(fēng)沙有一勞永逸的效果。需要注意的是，采用植物固沙措施時(shí)，應(yīng)禁止在固沙范圍內(nèi)放牧，并提高防火和環(huán)保意識(shí)。