临策铁路天鹅湖至额济纳段线路及防沙工程方案研究

2011-05-14王国联张道金

铁道标准设计 2011年4期

王国联，张道金

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 项目工程概况

新建临河至策克铁路位于我国内蒙古自治区西部的巴颜淖尔市、阿拉善盟境内。项目东起京兰通道包兰铁路的临河车站，向西北方向依次经巴颜淖尔市的杭锦后旗、阿拉善盟的图克木、苏红图、天鹅湖和额济纳旗，然后向北利用嘉策铁路至策克口岸，线路全长755.159 km。

本项目按国铁Ⅱ级、单线、内燃牵引设计，速度目标值120 km/h，近期列车12～19对/d。该项目也是规划的临河至哈密铁路的东段部分，其修建不仅可促进沿线地区的经济发展，有利于加强西北地区，尤其是新疆地区与华北、东北地区的交通联系，促进两地间的经济交流与合作，更是配合我国资源、能源战略，加快开发利用蒙古国矿产资源，实施国家的矿产资源全球战略，对保障国民经济可持续发展具有重大的意义，也是解决蒙古国那林素海特煤田的煤炭开发和运输问题的关键工程。

额济纳旗是临策铁路(也是临哈铁路)线路所经中间地段唯一的旗府所在地，国家级胡杨林保护区分布在旗镇的东部，周边同时分布有大量流动沙丘(是巴丹吉林沙漠的北部边缘)。本项目结合临哈铁路走向及额济纳旗镇设站规划等对经过胡杨林保护区线路方案、绕避胡杨林保护区(经流动沙丘)线路方案进行了研究，同时对经由流动沙丘地段线路进行了防沙工程措施方案的研究比较。

2 工程自然地理及环境特征

2.1 工程自然地理特征

2.1.1 地形地貌

线路地处内蒙古阿拉善剥蚀高平原区，自东向西穿越狼山山脉后，行走于巴丹吉林沙漠北部边缘的广袤戈壁荒漠，横过八道桥流动沙丘段，至额济纳冲积平原区。冲积平原主要展布在额济纳绿洲，地形平坦、开阔，河谷宽浅，支流众多，平原宽达15～20 km，胡杨、红柳、梭梭等植被发育。

区域内风积沙丘以固定、半固定沙丘、平沙地及新月形沙丘链为主，沙丘链高2～15 m，呈北东－南西走向，北西向迎风面坡度较缓，南东侧背风面坡度较陡。沿线风积沙丘分布在苏红图东侧和额济纳绿洲外沿八道桥一带，在苏红图的东侧以固定、半固定沙丘及平沙地为主，八道桥一带则以新月形沙丘链为其主要特征。

2.1.2 工程地质及水文地质

地层岩性:基底表层为第四系全新统冲积形成的细砂、粉砂夹粉质黏土、黏土层，下部为第四系上更新统洪积细砂夹粉质黏土、黏土、粉土;上部覆盖的风积砂主要为粉细砂，粒径大于0.075 mm颗粒的质量超过总质量的75%。线路经过地段地质构造不发育，第四系覆盖层厚度大于30 m。

2.1.3 气象

区域属典型的北温带大陆性干旱气候区，光照充足、热量丰富，降水量少，蒸发量大。冬季严寒，夏季酷热，昼夜温差大，春冬季节有沙尘暴。年平均降水量35.2 mm，年蒸发量3 399.6 mm。四季盛行西风、西北风，年平均风速3.2 m/s，最大风速25 m/s;大风(≥8级)日数38.4 d，沙尘暴日数10.7 d，扬沙日数48.6 d。

2.2 工程自然环境特征

工程沿线吸引范围内自然保护区等生态敏感区分布较多。与本工程线路方案有关的生态敏感区为内蒙古额济纳胡杨林国家级自然保护区。胡杨林保护区有一级保护动物蒙古野驴、野马、双峰驼、北山羊、黑鹳、波斑、遗鸥，二级保护动物荒漠猫、猞猁、水獭、鹅喉羚、盘羊、岩羊、白琵鹿、赤颈鸭、苍鹰，二级保护植物野大豆、沙冬青、甘草、肉苁蓉及特有动物双峰驼、鹅喉羚，特有植物胡杨、肉苁蓉。

3 天鹅湖至额济纳线路走向方案研究

该段线路走向受控于胡杨林保护区、流动沙丘范围、额济纳旗设站及远期临哈线线路走向等因素控制，根据新建临策铁路环评报告和设计审查意见，结合胡杨林保护区范围、额济纳旗城镇规划、沿线工程地质情况及远期临哈线线路走向，研究了沿312省道穿越胡杨林保护区线路方案(方案Ⅰ)、额济纳旗南侧绕避胡杨林保护区线路方案(方案Ⅱ)和额济纳旗北侧绕避胡杨林保护区线路方案(方案Ⅲ)。

天鹅湖至额济纳段线路方案示意见图1。

图1 天鹅湖至额济纳段线路方案示意

3.1 沿312省道穿越胡杨林保护区线路方案(方案Ⅰ)

线路自天鹅湖沿S312公路南侧西行，经八道桥后折向西南行，进入额济纳国家胡杨林保护区实验区范围。至七道桥线路折向南至巴颜桃来农场南侧折向西北，于王爷府西南侧跨二道河并上跨S312公路及黑河水利灌溉渠工程，之后线路向西跨头道河、S315公路，在旗镇规划环城路北设额济纳车站。出站后，线路折向西北接入嘉策线额济纳(西)站。线路新建长度61.463 km，远期联络线长度19.48 km，工程投资估算为28 880.6万元，较方案Ⅱ少10 871.2万元。

3.2 额济纳旗南侧绕避胡杨林保护区线路方案(方案Ⅱ)

线路自天鹅湖后折向西南沿沙丘边缘，行经进素图诺尔、敖木尕夏拉，沿保护区南侧向西南行，至苏亥尔杂格折向西北从东河分水闸上游跨过昂茨河，经二号山西南侧，跨纳林河后设额济纳车站，出站后跨越S312公路接入嘉策线额济纳(西)站。线路新建长度68.965 km，较方案Ⅰ长7.502 km，远期联络线长度20.52 km。工程投资估算为39 751.8万元。

3.3 额济纳旗北侧绕避胡杨林保护区线路方案(方案Ⅲ)

线路自天鹅湖后折向西北方向，跨越S312公路，沿沙丘边缘行，经八道桥、敖包图博日格，跨越哈勒苏亥河、西敖包郭勒和既有S315公路，引入嘉策线乌兰木图站，远期临哈线引入额济纳西站，北上至策克可利用既有嘉策线58.95 km。线路新建长度63.168 km，较方案Ⅰ长1.705 km，远期联络线长度23.70 km。工程投资估算为31 155.5万元，较方案Ⅱ少8 596.3万元。

天鹅湖至额济纳线路方案工程投资比较见表1。

表1 天鹅湖至额济纳线路方案工程投资比较

3.4 方案分析比较

各方案影响因素(优缺点)综合分析比选见表2。

表2 天鹅湖至额济纳线路方案相关因素比较

由表2可知，方案Ⅰ线路最短，基本不受风沙影响，投资最省，但对环境影响较大;额济纳旗胡杨林保护区为国家级自然保护区，也是世界上三大胡杨林之一，是沙漠中防沙固土的珍稀植物，线路穿越不符合环境评价的要求，需要绕避。方案Ⅲ所设额济纳车站站位距额济纳约15 km，需穿越约5.0 km的流动沙丘与半固定沙丘，工程地质条件较差，车站位置也距额济纳城镇较远。方案Ⅱ线路最长，需穿越8.08 km流动沙丘，工程地质条件最差，但站位适应额济纳城镇规划，远期接临哈铁路最顺直。

综合比较，选择推荐方案Ⅱ，即额济纳旗南侧绕避胡杨林保护区线路方案。

4 额济纳旗南侧绕避胡杨林保护区线路经风沙段地质选线方案比较及防沙工程措施研究

南侧绕避胡杨林方案(GDK574+000～GDK636+964.89)，长约69 km，先后经过戈壁平原、风蚀残丘、流动沙丘、额济纳冲洪积平原区。线路分别在GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880两段通过流动沙丘，共长约8 080 m。流动沙丘处于巴丹吉林沙漠的北部边缘区，GDK585+720～GDK592+380段原地面海拔高度为918.9～924.9 m，GDK597+460～GDK598+880段原地面海拔高度930 m左右，流动沙丘相对地面高3～8 m，局部高约10 m，呈链状、垄状，走向北东向，与风向垂直;受河流及红柳林影响，局部地段沙丘走向呈东西向。沙丘呈向南、向东发展趋势。

在线路走向确定为南侧绕避胡杨林保护区方案的基础上，结合航空影片的地形地貌判释(表3)，以及现场外业大面积调查测绘工作，进行线路地质选线方案研究工作，分别研究了沿胡杨林保护区边沿方案、中间沙地穿越方案和南侧流动沙丘穿越方案。

表3 南侧绕避胡杨林保护区线路地貌类型分段

南侧线路经流动沙丘段局部方案示意见图2。

4.1 沿胡杨林保护区边沿方案(方案一)

经过多年的侵蚀和堆积，既有保护区的南侧边界已有相当部分被较高的风沙链所覆盖，局部地段沙丘已侵入到保护区范围以内，线路难以在保护区边界和沙丘之间寻找到一条可行的通道。研究结果显示，即使采用较小的曲线半径，线路也不能完全避开保护区范围，而且还需要穿越较高的沙丘。

4.2 南线中间沙地穿越方案(方案二)

经过外业实地大面积调查，小里程端原有的风沙链之间的平沙地已被沙丘所覆盖，局部沙丘高达20 m以上;中间部分沙丘南侵严重，大片红柳林谷地被沙埋而死亡，形成流动沙丘;大里程端的红柳林谷地被进一步压缩，与外侧平原的通道已被沙丘链阻隔。综合结果显示，该通道风沙的作用较强，风沙堆积的速度较大，线路通过的危险性很大。

图2 南侧线路经流动沙丘段局部方案示意

4.3 南侧流动沙丘穿越方案(方案三)

根据1/5万地形图及2005年航片影像，线路方案位置处于八道桥南侧新月形沙丘链的最薄弱部位，沙丘高度较矮，穿越流动沙丘的长度也最短。线路位置南侧边沿为一河流，是额济纳河每年3月和10月份上游放水时向天鹅湖注水的通道，河流南侧的沙丘比较高大。对比分析表明，在小里程端(进素图端)风沙有一定程度的南移和东侵，其他地段的风沙变动趋势较小。2006年的外业实地调查也证实，小里程端的红柳林谷地的北侧边沿的一些红柳等沙生灌木已被沙埋而死亡。综合分析结论:由于北侧的沙垄和南侧河流的阻挡，该通道风沙活动相对较弱，变化较小;特别是河流的作用，使得地下水埋藏较浅，局部地段红柳等灌木仍然存活和生长，这也抑制了沙丘的发展速度。但风沙活动的作用还是在缓慢的增强，沙丘链间的红柳林谷地正在被压缩，沙丘南移和东移较明显。

综合以上分析，推荐南侧流动沙丘穿越方案为贯通方案。

4.4 经由南侧流动沙丘地段工程及防沙措施方案研究

国内受风沙影响的铁路主要有包兰铁路、神延铁路、乌海至吉兰泰铁路和清赛专用线等，其中包兰线的沙坡头风沙综合治理最为成功。国外苏丹沙漠铁路主要采用人工清理的方法通行。它们的主要特征参见表4。

表4 国内外风沙铁路综合治理主要特征

由表4可知，目前国内主要采用路基形式通过，一般选择在具备植物生长条件的地方，而在干旱少雨且不具备植物生长的地段，往往风沙危害严重，难以根治。

结合沙丘分布情况、工程地质条件和水文地质条件，本段线路防沙工程先后研究了风沙路基通过方案、桥梁跨越方案、防沙棚结构方案、防沙明洞结构等4个方案。

4.4.1 风沙路基通过方案

对分布在 GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880段流动沙丘采用风沙路基通过方案，平面植被防护长7 800 m，防护宽度上风侧(右侧)坡脚15 m外550 m、左侧坡脚15 m外350 m范围内采用植被和草方格固沙，并在外侧空留带边缘设置高立式沙障。配合植物防护，需设置水井3处，设置一套滴灌设备。设治沙工区一处，新建20 m2房屋1间，配备必要的工器具设备。工程投资2 450.41万元。

4.4.2 桥梁跨越方案

采用桥梁方案跨越流动沙丘地段，桥长分别为6.66 km和1.42 km。

桥两侧平面范围内采用植被防护，长8 080 m，防护宽度上风侧(右侧)坡脚15 m外220 m、左侧坡脚15 m外120 m范围内采用植物和草方格固沙，并在外侧空留带边缘设置高立式沙障。配合植物防护，需设置3处水井。工程投资17 886.17万元。

4.4.3 防沙棚结构方案

采用防沙棚结构方案穿越流动沙丘地段，防沙棚结构设计形式为高强度树酯玻璃钢盖板及钢管拱+钢筋混凝土组合结构。其下部为U形钢筋混凝土结构，由两侧侧墙和底板组成;其上部为防沙棚盖板，由钢管半圆拱及纵、横向联结系构成骨架，上覆玻璃纤维增强塑料复合板。结构总高度约9 799 mm，有效净空面积45.68 m2。防沙棚结构总长8 080 m，工程投资14 106.064万元。

4.4.4 防沙明洞结构方案

采用防沙明洞结构方案穿越流动沙丘地段，防沙明洞结构建筑限界采用电力牵引铁路KH－200桥隧建筑限界、并满足双层集装箱开行条件，预留单侧救援通道，内轨顶面以上面积不小于52 m2。防沙明洞结构总长8 080 m，总概算144 052 334元。

防沙明洞结构如图3所示。

图3 防沙明洞结构

4.4.5 研究分析及结论

采用风沙路基通过方案工程简单，一次性投入少，但对沙漠的防护范围很大，后期维修养护费用巨大，需增设防沙工区，工作条件差。本区是严重缺水地区，每年需二次外调放水进居延海，保证胡杨林用水。如采用滴灌技术，抽取地下水，将对胡杨林的生长产生极大影响，防护效果也不理想，路基容易受到风蚀和沙埋，且存在很大风险，有可能一夜之间，所有的防护全部破坏，不能根除风沙隐患，工程完成后运营安全难以保障。

采用桥梁跨越流动沙丘方案，工程措施简单，但桥梁的跨度和净高难以确定，而且已有桥梁跨越沙丘地资料显示桥墩处会出现严重积沙，基础设计需考虑积沙荷载，基础工程量大，同时桥面轨道也可能积沙，工程可靠度不高，不能完全根除风沙隐患，工程完成后运营安全保障性较差。工程投资估算也最大。

采用防沙棚结构方案，基本适应防护需要，防护工程相对较小，可根除风沙隐患，工程完成后运营安全。但工程技术需进一步研究和创新，从施工难易程度及工期控制来讲，防沙棚结构施工需进行钢筋混凝土的浇筑、钢管及联结系的安装、棚面板的铺设等，因相关类工程施工经验较少，施工组织及施工管理相对较难，工期相对较难控制，存在一定的技术风险。

采用防沙明洞结构方案，从设计及施工技术角度看，虽然明洞结构对地基承载力要求高，需考虑通风、照明和维修设施的配备，但明洞作为隧道结构其设计与施工具有成熟的技术，其结构整体性好、抗风蚀能力强、使用寿命长，施工组织及施工管理相对较容易，工期易于掌控，可根除风沙隐患，工程完成后运营安全。

研究比较，经流动沙丘地段防沙工程措施推荐采用防沙明洞结构方案。

5 结语

临策铁路防沙明洞(1号明洞、2号明洞)，是目前我国仅有的2座因通过沙漠地段防沙而修建的明洞。以明洞结构作为防沙措施，确保铁路后期运营不受风沙侵袭，是我国铁路及交通设计的一个尝试。其修建经历了环保选线、地质选线和工程选线的研究比较过程，集中反映了我国当前铁路设计应贯彻环保优先、依法选线的原则和理念，同时在满足铁路运营安全的前提下，选择结构安全、施工简单、具有成熟技术和经验的工程防护措施。临策铁路防沙明洞建成后，内蒙古自治区境内其他经由风沙地段铁路先后进行了防风沙明洞结构设计的研究。这一工程结构对国内外经由风沙、雪埋地段等同类型铁路、公(道)路的防风、防沙、防雪措施结构设计有一定设计指导和借鉴意义。

［1］中铁工程设计咨询集团有限公司.新建临策线乌兰敖包至策克段初步设计［R］.北京:2006.

［2］中铁工程设计咨询集团有限公司.新建临策线乌兰敖包至策克段初步设计审查后补充资料料［R］.北京:2006.

［3］中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路临河至策克线工程环境影响报告书［R］.西安:2006.

［4］中铁工程设计咨询集团有限公司.新建临策线乌兰敖包至策克段施工图［R］.北京:2008.

［5］龚平.运用环境影响评价原理指导交通工程建设项目环保选线［J］.铁道标准设计，2010(6):1-4.

［6］王锡来，王在广，张登绪.戈壁地区铁路沙害成因及工程防护初步研究［J］.路基工程，2000(6):44-50.

［7］朱国胜，李克云.乌吉铁路沿线沙害分析及综合治理途径［J］.中国沙漠，1999(1):56-59.

［8］净文常，李小红.沙漠地区铁路路基沙害及选线设计［J］.路基工程，1999(3):52-55.

［9］王锡来，蒋育华.砾漠地段铁路沙害成因及防治［J］.中国地质灾害与防治学报，2002(1):37-44.

［10］邸耀全，张克智.中国铁路沙害及其防治［M］.北京:中国环境科学出版社，1998:46-67，49-59.

［11］史培军，张宏，王平，周武光.我国沙区防沙治沙的区域模式［J］.自然灾害学报，2000，9(3)2:1-7.

［12］裴立军.风沙地区铁路路基设计探讨［J］.铁道标准设计，2010(7):8-10.