風沙地區(qū)鐵路深路塹防護形式分析

高越，陳慧娥，張中瓊，符銳，原國紅

(1.吉林大學建設(shè)工程學院，吉林長春130026;2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000;3.上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司天津分公司，天津300143)

風沙地區(qū)鐵路深路塹防護形式分析

高越1，陳慧娥1，張中瓊2，符銳1，原國紅3

(1.吉林大學建設(shè)工程學院，吉林長春130026;2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅蘭州730000;3.上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司天津分公司，天津300143)

某煤運鐵路部分路段穿過毛烏素沙漠。該地區(qū)分布大量固定、半固定沙丘，沉積物中粉粒含量少，砂粒含量高，結(jié)構(gòu)疏松，透水性較大，導致風沙是影響線路穩(wěn)定性的最大不良地質(zhì)因素。本文針對一段深路塹(最深22.91 m)的特殊工程條件和風沙危害的特征，提出工程防沙與植物防沙相結(jié)合的路基防護形式，即路基本體采用水泥砂漿砌片石拱形骨架護坡，路基兩側(cè)設(shè)置植被保護帶、平整帶(防火帶)、防護帶、阻沙柵欄和圍欄的風沙防護體系。

風沙地區(qū) 深路塹 防護形式

某煤運鐵路通道自內(nèi)蒙古浩勒報吉至江西省吉安市，正線長度約1 817 km。沿線風沙地區(qū)路基工點主要分布在起點至靖邊(DK225+600)毛烏素沙漠地區(qū)，多為固定沙丘及半固定沙丘，部分地區(qū)分布流動沙丘。根據(jù)風沙活動程度劃分為嚴重、中等和輕微風沙地段。其中嚴重風沙地段主要集中在烏審召境內(nèi)，中等和微風沙地段主要分布在納林河至靖邊段內(nèi)，由北向南風沙危害整體呈降低趨勢。本文選取DK189+870—DK190+740段風沙地區(qū)深路塹工點，針對風沙地區(qū)路基的防護問題加以闡述。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地理概況

毛烏素沙地是我國四大沙地之一，位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡區(qū)內(nèi)，總面積達3.98萬km2，全區(qū)流沙面積達1.38萬km2。本次研究區(qū)域位于毛烏素沙漠南緣，地勢起伏較大，年平均降水量364.7 mm，集中于7—9月，尤以8月居多，屬半干旱地區(qū)。冬春季西北風盛行，夏秋兩季東南風盛行，起沙風集中出現(xiàn)在冬末春初季節(jié)，風力強勁。地表植被覆蓋率30%～80%，以草皮、沙蒿、沙柳為主，地表多辟為耕地、村莊［1-3］。

由于該地區(qū)地形復雜，在路基設(shè)計施工中勢必遇到深路塹，將嚴重破壞周邊植被，并在風力作用下使路塹積沙。本文所選取的深路塹工點位于納林河—海則灘段內(nèi)，從縱斷面圖上(圖1)可以看出，該段地勢起伏較大，中間高兩邊低，為路基深路塹挖方集中地段，深路塹段落長度約500 m，占整個工點長度的50%以上。對深路塹的研究主要集中在此段，線路最大挖深17.34 m，最大邊坡高22.91 m。

1.2 風積砂的工程特性

該地區(qū)從上到下依次分布細砂、粉砂、砂質(zhì)新黃土三種地層。細砂()，褐黃色，松散～中密，稍濕，厚0～7.0 m，基本承載力σ0=100～270 kPa;粉砂()，褐黃色，松散～密實，稍濕，厚0～2.5 m，σ0= 190～300 kPa;砂質(zhì)新黃土()，褐黃色，中密～密實，稍濕，厚＞7.1 m，σ0=140～160 kPa，新黃土具濕陷性，濕陷系數(shù)δs=0.005～0.065，屬Ⅱ級(中等)自重濕陷場地。

風積砂天然干密度為1.53～1.64 g/cm3，天然密度為1.59～1.69 g/cm3。對于沙丘地貌，坡峰的干密度一般較大，在1.59～1.64 g/cm3之間，迎風坡、坡谷、背風坡的干密度相對較低，在1.53～1.59 g/cm3之間［4］。

本工點砂土粒徑主要分布在0.075～0.25 mm(見圖2)，由國內(nèi)學者研究結(jié)果可知躍移砂粒的粒徑范圍為0.05～0.50 mm，最易躍移的砂粒粒徑為0.10～0.25 mm［5］。由于砂粒粒徑處于躍移范圍內(nèi)，其孔隙比為0.70～0.85，結(jié)構(gòu)疏松，極易起沙。在大風作用下，當?shù)匮鼐€砂粒運動以躍移為主，形成活動或半固定的沙丘、沙地及沙垅，且每年沿主導風向緩慢向前移動，這是鐵路產(chǎn)生沙害的主要原因。

圖1 地質(zhì)縱斷面

圖2 砂土顆粒級配曲線

圖3 砂層含水率隨深度變化曲線

該地區(qū)降雨量小，保水能力低，表層天然含水率在2%～3.2%之間，砂粒具有良好的透水性，砂粒表面對水幾乎沒有物理吸附性。風積砂的濾水作用十分明顯，水在砂層中直接向下滲透，表層一般都為干燥狀態(tài)。試驗表明(圖3)，砂層的含水率隨深度的增加有增大趨勢，但變化幅度較小，工點大里程方向含水率先增大后減小?？傮w上看，砂層的含水率＞4%，具備植物生長的條件，適合采用植物固沙。

風沙對鐵路路基危害的表現(xiàn)形式主要有沙埋和風蝕兩種［6］。沙埋的產(chǎn)生是在風沙流通過路基時風速減慢，造成了一部分砂粒的沉落把路基掩埋。風蝕是由于風力作用引起坡面砂粒的搬移。風蝕的形成給路基造成了削低、掏空和坍塌等危害［7］，這一后果直接影響了路基的寬度以及高度，使路基嚴重變形。在風力作用下，路塹積沙嚴重，特別是深路塹。氣流在路塹處形成反向渦流使氣流受阻，塹內(nèi)風力顯著降低，氣流中的砂粒沿背風坡堆積，逐漸掩埋道床，危及行車安全［8］。研究段落內(nèi)風沙危害等級為輕微，以沙埋為主，風蝕次之。主要表現(xiàn)為鐵路積沙使道床不潔，易引起線路其他病害?？紤]到深路塹的高邊坡對其自身穩(wěn)定性的影響及風沙的危害特點，本段線路潛在危害較大。

2 深路塹支護結(jié)構(gòu)選擇

在風沙地區(qū)，路基本體采取的防護措施，應因地制宜。目前常用的塹坡防護形式有以下幾種。

1)卵礫石包坡。在砂質(zhì)路基邊坡及路基面上鋪設(shè)0.1～0.2 m厚卵礫石。卵礫石包坡施工簡便，堅固耐用，防風蝕效果良好，且有效抵御雨水沖刷，適用于石料來源豐富的地區(qū)，但造價較高。

2)漿砌片石護坡。漿砌片石是用水泥砂漿將片石間隙填滿，使砌石成為一個整體，以保護坡面不受外界因素的侵蝕。但這種封閉性不適合植物的生長，且自重大，不宜在高邊坡上使用。

3)拱形骨架護坡。這種方法適用于砂土路塹邊坡的風沙危害防護。大面積的坡面被分成小塊的窗格后，滑體的范圍和厚度有很大程度的減少，而骨架可以有效地阻止其上方將要滑動的小塊體，保證坡面的穩(wěn)定。骨架間種植植被，在固沙的同時，達到綠化的效果。為減輕坡面沖刷，設(shè)計時采用截水型漿砌片石骨架(圖4)。

圖4 路塹拱形骨架護坡設(shè)計方案(單位:cm)

3 路基防護工程設(shè)計

在對DK189+870—DK190+740段風沙地區(qū)深路塹工點風沙特點調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合考慮深路塹段本身的特殊條件及沿線的風沙特點，借鑒以往防沙治沙的成功經(jīng)驗，結(jié)合當?shù)氐氖┕l件，提出該工點的沙害治理原則為工程防沙與植物防沙相結(jié)合，即工程前期以工程防沙為主，工程后期以植物防沙為主。

3.1 坡率的選定

不同于黃土地區(qū)的分級防護，該方法會使坡面及平臺積沙，且施工較困難，也不易保持，故邊坡采用一坡到頂?shù)闹本€型［9］。研究表明:邊坡越平緩，高度越矮，這樣的邊坡越穩(wěn)定，反之邊坡在塹頂受到巨大的張應力，使邊坡發(fā)生失穩(wěn)。深路塹由于其挖深較大，邊坡較高，開挖過程中破壞了原土體的內(nèi)力平衡及周邊植被，更容易失穩(wěn)。為了維持塹坡穩(wěn)定，隨著邊坡高度的增加，應適當放緩邊坡。本工點地勢起伏較大，邊坡高度為0.31～22.91 m。考慮到前后斷面的連續(xù)性，邊坡坡率并未嚴格按照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》［10］的規(guī)定。其具體坡率見表1。

3.2 防護形式

鐵路的正常運營離不開各種防護措施，沙害治理的關(guān)鍵是抑制風蝕及沙埋。通過前文對風沙鐵路的各種危害來看，風沙地區(qū)路基防護工程應包括兩部分:工程防沙及植物防沙。工程防沙針對路基本體而言，通過在路塹坡面安置拱形骨架，防止邊坡土體在重力作用下滑動失穩(wěn)，同時達到防風蝕的目的;植物防沙針對路基兩側(cè)而言，在鐵路兩側(cè)設(shè)置風沙防護體系，防止沙丘或沙流侵向路基。

1)路基本體防護——工程防沙

通過對各種防護措施的對比，結(jié)合本工點的地質(zhì)條件，在該地區(qū)沒有石料來源，所以卵礫石包坡的方法不適用;而在深路塹工點邊坡較高，不宜采用自重較大的漿砌片石護坡。因此采取3 m×3 m M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架，骨架內(nèi)鋪0.10 m厚碎石土并種沙棘、檸條防護。路塹兩側(cè)設(shè)梯形側(cè)溝，溝深0.8 m，底寬0.4 m，側(cè)溝外留設(shè)積沙平臺，根據(jù)風沙危害程度，選用2 m平臺。路基本體防護形式見圖5。

表1 邊坡坡率

圖5 路基本體防護設(shè)計(單位:m)

圖6 路基兩側(cè)風沙防護體系(單位:m)

2)路基兩側(cè)防護——植物防沙

風沙地區(qū)路基應根據(jù)風沙的危害程度，于路基兩側(cè)設(shè)置風沙防護體系(圖6)。自路塹向外依次設(shè)置平整帶(防火帶)、防護帶、阻沙柵欄、植被保護帶和圍欄。阻沙柵欄采用高立式土工材料柵欄，設(shè)置于防護帶外側(cè)20 m處。于植被保護帶邊緣設(shè)置嚴禁放牧和開墾等護林標志的刺鐵絲網(wǎng)圍欄。

植物防沙是鐵路防沙的一項根本措施，凡具備植物生長條件的沙害地段，都要采取植物固沙措施。植物可以很好地改善當?shù)匦夂颍疑成参锞哂邪l(fā)達的根系，能固定周圍砂層，對抑制土壤沙化具有長期效果。本工點砂層含水率＞4%，具備植物生長的條件;再考慮風沙危害程度，采用植物固沙，具有可靠性。

4 結(jié)論

綜上所述，DK189+870—DK190+740段風沙地區(qū)深路塹工點采取工程防沙與植物防沙相結(jié)合的方法。其防護形式如下:路基本體采用3 m×3 m M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架，骨架內(nèi)鋪0.10 m厚碎石土并種沙棘、檸條防護。路基兩側(cè)設(shè)置平整帶(防火帶)、防護帶、阻沙柵欄、植被保護帶和圍欄。工程前期以工程防沙為主，植物防沙為輔;當植物生長到一定程度時，采取植物防沙為主、工程防沙為輔的綜合措施。這種方法能有效地抑制風蝕及沙埋兩種風沙危害形式，提高了路基的穩(wěn)定性，是一種值得推廣的方法。

［1］秦雷.太中銀鐵路沙害調(diào)查和治理措施選擇及效果評價［D］.蘭州:蘭州交通大學，2013.

［2］李鵬，高雪蓮.某運煤鐵路風沙地區(qū)工程地質(zhì)選線及工程處理措施［J］.鐵道勘察，2013，39(3):44-46.

［3］秦雷，朱生憲，楊有海.太中銀鐵路沿線沙害特征及防治措施［J］.路基工程，2013，30(3):44-46.

［4］宋焱勛.毛烏素沙漠風積砂力學特性及復合地基承載力試驗研究［D］.西安:長安大學，2011.

［5］劉輝.太中銀鐵路沙害特點及其防治措施研究［D］.蘭州:蘭州交通大學，2013.

［6］賀鵬.風沙地區(qū)鐵路防護工程設(shè)計［J］.鐵道建筑，2013 (5):112-115.

［7］裴立軍.風沙地區(qū)鐵路路基設(shè)計探討［J］.鐵道標準設(shè)計，2010，35(7):8-10.

［8］李銀芳.蘭新鐵路哈密地區(qū)的沙害［J］.中國沙漠，1986，6 (4):44-46.

［9］賀斌.風積沙地區(qū)鐵路路基設(shè)計淺議［J］.山西建筑，2011，37(9):161-162.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

Analysis of protective types of railway deep cut in w ind drift sand region

GAO Yue1，CHEN Hui'e1，ZHANG Zhongqiong2，F(xiàn)U Rui1，YUAN Guohong3
(1.Engineering College of Jilin University，Changchun Jilin 130026，China;2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou Gansu 730000; 3.Shanghai Geotechnical Investigations＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300143，China)

A coal-transport railway line of China，bypassing the M aow usu desert，is severely p lagued by sand-w ind inf luence，as fixed and sem i-fixed dunes w idely distributes and gravel-dom inan t p recipitan t is loosely com posed and perm eable.T he paper selects one deep cut section(w ith a m axim um depth of 22.91 m)and looks in to its engineering conditions and the w ind-sand hazard.O n this basis，it proposes the integration o f engineering and vegetation approaches for subgrade protection，in other wo rds arch-shaped fram ew ork slope protection w ith rubble intervals filled w ith concrete m ortar is adopted fo r the m ain body，while two sides of the subgrade is equipped w ith a w ind-sand protection system of vegetation protection zone，sm ooth zone(fire-p roof zone)，protection zone，sandblocking fence and fence.

W ind drift sand region;Deep cut;Protective types

U216.41+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.26

1003-1995(2015)06-0101-04

(責任審編孟慶伶)

2014-12-08;

2015-04-13

國家自然科學基金(41472242)

高越(1991—)，女，遼寧沈陽人，碩士研究生。