劉建新

(錦州鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧錦州　121000)

我國(guó)沙漠和沙漠化土地的分布范圍相當(dāng)廣闊，西起新疆、東至黑龍江，斷續(xù)展布于我國(guó)北部的干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)。經(jīng)風(fēng)力作用后，沙土表現(xiàn)出與母體不同的特點(diǎn)：松散，顆粒圓化，粉粒及黏粒流失，顆粒粒徑基本為同一量級(jí)(0.05～0.5 mm)，以其流動(dòng)性、分散性為顯著特點(diǎn)[1]。

內(nèi)蒙古地區(qū)地域遼闊，煤炭資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?，但交通不便。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西煤東運(yùn)勢(shì)在必行，國(guó)家投入大量的資金新建赤大白鐵路工程、錫林郭勒至烏蘭浩特鐵路工程、巴彥烏拉至新邱鐵路工程以及集寧至通遼鐵路增建二線工程、通遼至霍林河鐵路增建二線工程，以上工程部分鐵路線路穿越風(fēng)沙地區(qū)；風(fēng)沙地區(qū)鐵路地質(zhì)選線及勘察方法尤其重要，只有正確的認(rèn)識(shí)風(fēng)沙地區(qū)工程地質(zhì)性質(zhì)，充分發(fā)揮風(fēng)沙地基潛力，才能加快建設(shè)進(jìn)度，降低工程造價(jià)，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。結(jié)合以上工程，闡述風(fēng)沙地區(qū)鐵路地質(zhì)選線原則及工程地質(zhì)勘察方法。

1　風(fēng)沙地區(qū)鐵路地質(zhì)選線原則

在風(fēng)沙地區(qū)修建鐵路，選擇恰當(dāng)?shù)木€路是防止鐵路沙害最有效、最經(jīng)濟(jì)的措施。

(1)線路宜繞避風(fēng)沙危害嚴(yán)重地段；線路必須穿過(guò)沙漠地區(qū)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在沙害較輕的地帶通過(guò)，如河岸、湖岸以及鹽漬土分布的地帶，沙漠前沿的固定、半固定沙丘地帶，沙丘下埋伏有古河床的地帶以及地下水溢出地帶，大山或高地的前緣背風(fēng)地帶等。

(2)線路走向宜與主風(fēng)向平行，不設(shè)或少設(shè)曲線，必須設(shè)置曲線時(shí)應(yīng)避免采用小半徑，并宜將曲線設(shè)計(jì)為路堤，外側(cè)朝向主風(fēng)方向；線路宜采用路堤，高度不宜小于1m；避免采用零斷面、半堤半挖及路塹，特別是長(zhǎng)深的路塹，必要時(shí)可采用敞開(kāi)式淺路塹。

(3)涵洞宜采用大孔徑。

(4)線路宜靠近水源、防護(hù)材料產(chǎn)地和既有天然防護(hù)林帶地段，并應(yīng)設(shè)計(jì)在林帶背風(fēng)一側(cè)。

(5)大型車站應(yīng)選擇在風(fēng)沙輕微地段，避開(kāi)有風(fēng)沙活動(dòng)的隘口處，站房和住房應(yīng)朝向背風(fēng)方向。

(6)鐵路的修筑總會(huì)改變?cè)嫉孛残螒B(tài)，改變風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，破壞蝕積平衡，甚至在非流沙區(qū)也產(chǎn)生流沙。因此，選線時(shí)線路盡可能少的改變?cè)嫉孛残螒B(tài)，不能出現(xiàn)高大的路堤和深路塹。穿越沙丘鏈時(shí)，選擇從高度較低的埡口處通過(guò)，并可采用地塹式路基，此處風(fēng)力強(qiáng)勁，可避免路面積沙[2]。

2　地質(zhì)選線實(shí)例

2.1　工程地質(zhì)概況

巴彥烏拉至新邱新建鐵路工程奈曼(K130+000)至黑魚(yú)泡子(K204+000)間線路穿越科爾沁沙地，地形總的趨勢(shì)是西北高、略向東南方向傾斜，高程由450 m下降到407 m。受過(guò)度放牧、過(guò)度墾殖等人類活動(dòng)影響，沿線植被稀疏，以活動(dòng)沙丘及半固定沙丘為主。受主導(dǎo)風(fēng)向影響(冬春季的WNW及W風(fēng)，沙丘移動(dòng)方向?yàn)镋SE)，沙丘一般呈西北—東南向排列，一般高3～6 m，局部可高達(dá)30余m。半固定沙丘呈斑點(diǎn)狀散布在固定沙丘之間，多為固定沙丘上的植被遭受破壞后形成，半固定沙丘受風(fēng)力作用較強(qiáng)，出現(xiàn)了裸露的沙面。地表植物以沙蒿、雪里旺、沙柳、檸條及雜草為主，宏觀覆蓋率約10%～70%不等。局部線路附近為剝蝕殘丘，相對(duì)高差10～25 m，最大高差達(dá)40 m。丘坡較緩，坡腳及丘間洼地多為風(fēng)積沙覆蓋，背風(fēng)坡處風(fēng)積沙可覆蓋到半山腰[3]。

2.2　地質(zhì)選線建議

繞避：線路選線盡量繞避流動(dòng)沙丘，應(yīng)盡可能選擇在沙害較輕的地帶通過(guò)。線路應(yīng)布設(shè)在丘間低地，靠近前方沙丘迎風(fēng)坡腳處，如因丘間低地在雨季有積水而需要提高線路時(shí)，可直接布設(shè)在迎風(fēng)坡腰部，線路從一個(gè)丘間低地到另一個(gè)丘間低地的沙丘間空隙穿過(guò)。

有利的風(fēng)向：線路東西向穿越科爾沁沙地沙地，盡量與冬春季W(wǎng)NW風(fēng)并行(減少線路走向與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角)。這種情況下，沙丘的移動(dòng)方向順著路基延伸的方向移動(dòng)，可減少風(fēng)沙對(duì)路基的風(fēng)積沙。

加大涵洞孔徑：風(fēng)沙地區(qū)，冬春季植被覆蓋率較低，風(fēng)吹沙起，易在涵洞低洼處堆積，堵塞涵洞；該段風(fēng)沙路基區(qū)涵洞孔徑一般為3.0 m。

利于防沙工程的布設(shè)：線路DK130+000～DK150+000處于沙漠與膠萊河結(jié)合部，即靠近膠萊河匯水面，更臨近沙漠。該地段靠近水源，有利于提高植被的成活率，達(dá)到防風(fēng)固沙的效果。

車站的布設(shè)：黑魚(yú)泡子站位于風(fēng)沙輕微地段，站房位于線路的左側(cè)(即背風(fēng)方向)。

2.3　工程建設(shè)效果

巴彥烏拉至新邱新建鐵路工程奈曼(K130+000)至黑魚(yú)泡子(K204+000)間線路工程施工基本完畢，該段改變?cè)嫉孛残螒B(tài)較小，植被破壞較小。雖冬春季風(fēng)較大，除個(gè)別低洼地段存在風(fēng)積沙現(xiàn)象外，整體路基情況良好。

3　風(fēng)沙地區(qū)鐵路工程地質(zhì)勘察要點(diǎn)

風(fēng)沙地區(qū)工程地質(zhì)勘察方法主要包括工程地質(zhì)調(diào)繪、野外勘探及土工試驗(yàn)等。

3.1　工程地質(zhì)調(diào)繪

(1)風(fēng)沙地貌的調(diào)查

風(fēng)積地貌按沙丘活動(dòng)程度可分為流動(dòng)沙丘(植被覆蓋率15%以下)、半固定沙丘(植被覆蓋率15%～40%)、固定沙丘(植被覆蓋率40%以上)；按沙丘的成因形態(tài)可劃分為橫向沙丘和縱向沙丘，橫向沙丘分為新月形沙丘，以及沙丘鏈、格狀沙丘及格狀沙丘鏈；縱向沙丘分為新月形沙壟和復(fù)合型沙壟[4]。風(fēng)積地貌調(diào)查主要內(nèi)容有：沙丘的相對(duì)高度，包括最大高度、最小高度和平均高度；沙丘的間距，包括最大間距、最小間距和平均間距；沙丘迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡長(zhǎng)度、坡度和走向；沙丘的排列方向；沙丘個(gè)部位表層結(jié)皮情況及干沙層厚度；對(duì)于草灌沙堆，應(yīng)調(diào)查其植被種類和高度。

風(fēng)蝕地貌可劃分為風(fēng)蝕洼地、風(fēng)蝕殘丘、風(fēng)蝕城堡；風(fēng)蝕地貌調(diào)查主要內(nèi)容有：風(fēng)蝕洼地的長(zhǎng)度、寬度、深度測(cè)量；風(fēng)蝕沙地的輪廓、排列方向以及底部組成物質(zhì)的測(cè)量和描述；風(fēng)蝕殘丘的高度、寬度以及相互間的間距測(cè)量；風(fēng)蝕殘丘的組成物質(zhì)，形態(tài)特征和排列方向的測(cè)量和描述。

沙漠化土地地貌調(diào)查主要內(nèi)容有：地表組成物質(zhì)的特征，包括顆粒組成、礦物成分、結(jié)構(gòu)和膠結(jié)物等；沙漠化發(fā)展過(guò)程中地表形態(tài)的變化；半固定沙丘、固定沙丘植被破壞后，發(fā)展成流動(dòng)沙丘的過(guò)程[5，6]。

(2)風(fēng)沙區(qū)植被條件調(diào)查

沙丘生長(zhǎng)植被后，增加了表面的粗糙度，可以大大削減近地表的風(fēng)速，減少沙粒的搬運(yùn)量。風(fēng)沙區(qū)植被條件調(diào)查主要內(nèi)容有：查明植物的種類、狀況、分布特點(diǎn)、演替過(guò)程及固沙作用，對(duì)主要植物群落，要選用標(biāo)準(zhǔn)地作為樣方調(diào)查，將植物的名稱、株高、覆蓋率、根系等特征進(jìn)行記錄。了解工程區(qū)內(nèi)的植被種類，可為以后植物防沙選擇固沙植物。

(3)水文地質(zhì)條件

沙漠地區(qū)缺乏地表水，地下水是沙漠地區(qū)唯一水源，合理利用風(fēng)沙地區(qū)有限的地下水資源是工程建設(shè)、植被生長(zhǎng)、生產(chǎn)生活的前提。因此，沙漠地區(qū)工程地質(zhì)勘察必須查明地下水類型、埋藏條件、地下水位動(dòng)態(tài)變化及其季節(jié)性變化幅度，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄等條件及土層含水量的變化規(guī)律。

(4)當(dāng)?shù)夭牧险{(diào)查

鐵路工程建設(shè)離不開(kāi)天然建筑材料，且用量多，用量大，應(yīng)盡量就地取材。沙漠下伏地層多屬河湖相沖積—洪積物，可以找到黏土、中粗砂、礫石等建材；沙漠下伏基巖，由于長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕，表層有一層殘積的碎石層，在丘間低地出露地表，可供開(kāi)采。風(fēng)沙地區(qū)生態(tài)環(huán)境比較脆弱，地建筑材料的開(kāi)采勢(shì)必導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境

的惡化，應(yīng)從環(huán)境地質(zhì)角度，科學(xué)合理地利用天然建筑材料，使工程建設(shè)與自然環(huán)境和諧發(fā)展。

3.2　野外勘探及測(cè)試

在檢測(cè)地面下一定深度風(fēng)沙土的物理指標(biāo)時(shí)，可采用護(hù)筒擋沙的方法，把護(hù)筒插入沙地，掏去筒內(nèi)沙土，到一定深度再取樣。用護(hù)筒方法只能采取2 m以內(nèi)深度的沙樣，更深的可用鉆孔方法，所取沙樣可做粒度分析，化學(xué)成分和礦物成分實(shí)驗(yàn)。風(fēng)沙土濕潤(rùn)時(shí)有微弱的黏聚力，條件允許時(shí)，可采用浸濕風(fēng)沙土的方法來(lái)取樣。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要是確定沙土地基的承載力。確定地基承載力的方法主要有:載荷試驗(yàn)法、動(dòng)力觸探法、旁壓試驗(yàn)法、靜力觸探法和標(biāo)準(zhǔn)貫入法。不同方法適用性和精度是不同的。受場(chǎng)地條件的限制，建議沙漠地區(qū)采用準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)儀器，操作簡(jiǎn)單快捷，在野外較實(shí)用。尤其輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)更適用于顆粒細(xì)小、相對(duì)均勻的風(fēng)沙土地基，方便直接測(cè)試出風(fēng)沙路基表層砂類土的承載力，為路基設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)。

3.3　土工試驗(yàn)

風(fēng)沙土極為松散，一般不能取得原狀樣，某些必須用原狀樣檢測(cè)的物理量，如密度和含水量，可在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)試。擾動(dòng)土樣可用作風(fēng)沙土樣的分類定名、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[7]。風(fēng)沙土的自然休止角可在室內(nèi)測(cè)定，也可通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查沙丘落沙坡坡角的方法來(lái)確定，現(xiàn)場(chǎng)確定的自然休止角更適宜于鐵路路塹邊坡設(shè)計(jì)。

4　結(jié)論

風(fēng)沙地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境性決定了地質(zhì)選線的重要性，通過(guò)詳實(shí)野外地質(zhì)調(diào)繪，正確認(rèn)識(shí)風(fēng)沙區(qū)地貌形態(tài)、植被情況；選用科學(xué)的勘探手段，合理布置勘探孔，準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示風(fēng)沙區(qū)的工程地質(zhì)特征，為線路的選線、風(fēng)沙區(qū)防護(hù)提供詳實(shí)可靠地地質(zhì)參數(shù)以及工程措施意見(jiàn)。通過(guò)對(duì)錫烏線、集通線、通霍線、巴新線、郭白線、大鄭線等工程設(shè)計(jì)回訪，線路穿越風(fēng)沙區(qū)，路基、路塹邊坡穩(wěn)定，除極個(gè)別地段存在沙害外，線路整體運(yùn)行良好?？茖W(xué)的地質(zhì)選線、合理的勘察方法提高了工程施工進(jìn)度，減少了工程造價(jià)，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，使工程建設(shè)與自然環(huán)境更加和諧。

[1]高大釗.巖土工程的回顧與前瞻[M].北京：人民交通出版社，2001：332-346

[2]TB10027—2001鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[3]張立強(qiáng).巴彥烏拉至新邱新建地方鐵路工程地質(zhì)說(shuō)明書(shū)[Z].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008:10-11

[4]吳正.風(fēng)沙地貌學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1987:133-138

[5]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999:354-355

[6]TB10053—98鐵路工程地質(zhì)風(fēng)沙勘測(cè)規(guī)則[S]

[7]TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[8]劉春明.鐵路選線應(yīng)綜合考慮的主要問(wèn)題[J].鐵道勘察，2007(2)：69-72