王國(guó)聯(lián)，張道金

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 項(xiàng)目工程概況

新建臨河至策克鐵路位于我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)西部的巴顏淖爾市、阿拉善盟境內(nèi)。項(xiàng)目東起京蘭通道包蘭鐵路的臨河車站，向西北方向依次經(jīng)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(jì)納旗，然后向北利用嘉策鐵路至策克口岸，線路全長(zhǎng)755.159 km。

本項(xiàng)目按國(guó)鐵Ⅱ級(jí)、單線、內(nèi)燃牽引設(shè)計(jì)，速度目標(biāo)值120 km/h，近期列車12～19對(duì)/d。該項(xiàng)目也是規(guī)劃的臨河至哈密鐵路的東段部分，其修建不僅可促進(jìn)沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有利于加強(qiáng)西北地區(qū)，尤其是新疆地區(qū)與華北、東北地區(qū)的交通聯(lián)系，促進(jìn)兩地間的經(jīng)濟(jì)交流與合作，更是配合我國(guó)資源、能源戰(zhàn)略，加快開發(fā)利用蒙古國(guó)礦產(chǎn)資源，實(shí)施國(guó)家的礦產(chǎn)資源全球戰(zhàn)略，對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義，也是解決蒙古國(guó)那林素海特煤田的煤炭開發(fā)和運(yùn)輸問題的關(guān)鍵工程。

額濟(jì)納旗是臨策鐵路(也是臨哈鐵路)線路所經(jīng)中間地段唯一的旗府所在地，國(guó)家級(jí)胡楊林保護(hù)區(qū)分布在旗鎮(zhèn)的東部，周邊同時(shí)分布有大量流動(dòng)沙丘(是巴丹吉林沙漠的北部邊緣)。本項(xiàng)目結(jié)合臨哈鐵路走向及額濟(jì)納旗鎮(zhèn)設(shè)站規(guī)劃等對(duì)經(jīng)過胡楊林保護(hù)區(qū)線路方案、繞避胡楊林保護(hù)區(qū)(經(jīng)流動(dòng)沙丘)線路方案進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)經(jīng)由流動(dòng)沙丘地段線路進(jìn)行了防沙工程措施方案的研究比較。

2 工程自然地理及環(huán)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(nèi)蒙古阿拉善剝蝕高平原區(qū)，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(dòng)沙丘段，至額濟(jì)納沖積平原區(qū)。沖積平原主要展布在額濟(jì)納綠洲，地形平坦、開闊，河谷寬淺，支流眾多，平原寬達(dá)15～20 km，胡楊、紅柳、梭梭等植被發(fā)育。

區(qū)域內(nèi)風(fēng)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(fēng)面坡度較緩，南東側(cè)背風(fēng)面坡度較陡。沿線風(fēng)積沙丘分布在蘇紅圖東側(cè)和額濟(jì)納綠洲外沿八道橋一帶，在蘇紅圖的東側(cè)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(zhì)及水文地質(zhì)

地層巖性:基底表層為第四系全新統(tǒng)沖積形成的細(xì)砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、黏土層，下部為第四系上更新統(tǒng)洪積細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土、黏土、粉土;上部覆蓋的風(fēng)積砂主要為粉細(xì)砂，粒徑大于0.075 mm顆粒的質(zhì)量超過總質(zhì)量的75%。線路經(jīng)過地段地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，第四系覆蓋層厚度大于30 m。

2.1.3 氣象

區(qū)域?qū)俚湫偷谋睖貛Т箨懶愿珊禋夂騾^(qū)，光照充足、熱量豐富，降水量少，蒸發(fā)量大。冬季嚴(yán)寒，夏季酷熱，晝夜溫差大，春冬季節(jié)有沙塵暴。年平均降水量35.2 mm，年蒸發(fā)量3 399.6 mm。四季盛行西風(fēng)、西北風(fēng)，年平均風(fēng)速3.2 m/s，最大風(fēng)速25 m/s;大風(fēng)(≥8級(jí))日數(shù)38.4 d，沙塵暴日數(shù)10.7 d，揚(yáng)沙日數(shù)48.6 d。

2.2 工程自然環(huán)境特征

工程沿線吸引范圍內(nèi)自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)分布較多。與本工程線路方案有關(guān)的生態(tài)敏感區(qū)為內(nèi)蒙古額濟(jì)納胡楊林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。胡楊林保護(hù)區(qū)有一級(jí)保護(hù)動(dòng)物蒙古野驢、野馬、雙峰駝、北山羊、黑鸛、波斑、遺鷗，二級(jí)保護(hù)動(dòng)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(jí)保護(hù)植物野大豆、沙冬青、甘草、肉蓯蓉及特有動(dòng)物雙峰駝、鵝喉羚，特有植物胡楊、肉蓯蓉。

3 天鵝湖至額濟(jì)納線路走向方案研究

該段線路走向受控于胡楊林保護(hù)區(qū)、流動(dòng)沙丘范圍、額濟(jì)納旗設(shè)站及遠(yuǎn)期臨哈線線路走向等因素控制，根據(jù)新建臨策鐵路環(huán)評(píng)報(bào)告和設(shè)計(jì)審查意見，結(jié)合胡楊林保護(hù)區(qū)范圍、額濟(jì)納旗城鎮(zhèn)規(guī)劃、沿線工程地質(zhì)情況及遠(yuǎn)期臨哈線線路走向，研究了沿312省道穿越胡楊林保護(hù)區(qū)線路方案(方案Ⅰ)、額濟(jì)納旗南側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)線路方案(方案Ⅱ)和額濟(jì)納旗北側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)線路方案(方案Ⅲ)。

天鵝湖至額濟(jì)納段線路方案示意見圖1。

圖1 天鵝湖至額濟(jì)納段線路方案示意

3.1 沿312省道穿越胡楊林保護(hù)區(qū)線路方案(方案Ⅰ)

線路自天鵝湖沿S312公路南側(cè)西行，經(jīng)八道橋后折向西南行，進(jìn)入額濟(jì)納國(guó)家胡楊林保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍。至七道橋線路折向南至巴顏桃來農(nóng)場(chǎng)南側(cè)折向西北，于王爺府西南側(cè)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(zhèn)規(guī)劃環(huán)城路北設(shè)額濟(jì)納車站。出站后，線路折向西北接入嘉策線額濟(jì)納(西)站。線路新建長(zhǎng)度61.463 km，遠(yuǎn)期聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)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(jì)納旗南側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)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(jīng)進(jìn)素圖諾爾、敖木尕夏拉，沿保護(hù)區(qū)南側(cè)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(jīng)二號(hào)山西南側(cè)，跨納林河后設(shè)額濟(jì)納車站，出站后跨越S312公路接入嘉策線額濟(jì)納(西)站。線路新建長(zhǎng)度68.965 km，較方案Ⅰ長(zhǎng)7.502 km，遠(yuǎn)期聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)度20.52 km。工程投資估算為39 751.8萬元。

3.3 額濟(jì)納旗北側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)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(jīng)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(yuǎn)期臨哈線引入額濟(jì)納西站，北上至策克可利用既有嘉策線58.95 km。線路新建長(zhǎng)度63.168 km，較方案Ⅰ長(zhǎng)1.705 km，遠(yuǎn)期聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)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(jì)納線路方案工程投資比較見表1。

表1 天鵝湖至額濟(jì)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(yōu)缺點(diǎn))綜合分析比選見表2。

表2 天鵝湖至額濟(jì)納線路方案相關(guān)因素比較

由表2可知，方案Ⅰ線路最短，基本不受風(fēng)沙影響，投資最省，但對(duì)環(huán)境影響較大;額濟(jì)納旗胡楊林保護(hù)區(qū)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，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(huán)境評(píng)價(jià)的要求，需要繞避。方案Ⅲ所設(shè)額濟(jì)納車站站位距額濟(jì)納約15 km，需穿越約5.0 km的流動(dòng)沙丘與半固定沙丘，工程地質(zhì)條件較差，車站位置也距額濟(jì)納城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)。方案Ⅱ線路最長(zhǎng)，需穿越8.08 km流動(dòng)沙丘，工程地質(zhì)條件最差，但站位適應(yīng)額濟(jì)納城鎮(zhèn)規(guī)劃，遠(yuǎn)期接臨哈鐵路最順直。

綜合比較，選擇推薦方案Ⅱ，即額濟(jì)納旗南側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)線路方案。

4 額濟(jì)納旗南側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)線路經(jīng)風(fēng)沙段地質(zhì)選線方案比較及防沙工程措施研究

南側(cè)繞避胡楊林方案(GDK574+000～GDK636+964.89)，長(zhǎng)約69 km，先后經(jīng)過戈壁平原、風(fēng)蝕殘丘、流動(dòng)沙丘、額濟(jì)納沖洪積平原區(qū)。線路分別在GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880兩段通過流動(dòng)沙丘，共長(zhǎng)約8 080 m。流動(dòng)沙丘處于巴丹吉林沙漠的北部邊緣區(qū)，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(dòng)沙丘相對(duì)地面高3～8 m，局部高約10 m，呈鏈狀、壟狀，走向北東向，與風(fēng)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(fā)展趨勢(shì)。

在線路走向確定為南側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空影片的地形地貌判釋(表3)，以及現(xiàn)場(chǎng)外業(yè)大面積調(diào)查測(cè)繪工作，進(jìn)行線路地質(zhì)選線方案研究工作，分別研究了沿胡楊林保護(hù)區(qū)邊沿方案、中間沙地穿越方案和南側(cè)流動(dòng)沙丘穿越方案。

表3 南側(cè)繞避胡楊林保護(hù)區(qū)線路地貌類型分段

南側(cè)線路經(jīng)流動(dòng)沙丘段局部方案示意見圖2。

4.1 沿胡楊林保護(hù)區(qū)邊沿方案(方案一)

經(jīng)過多年的侵蝕和堆積，既有保護(hù)區(qū)的南側(cè)邊界已有相當(dāng)部分被較高的風(fēng)沙鏈所覆蓋，局部地段沙丘已侵入到保護(hù)區(qū)范圍以內(nèi)，線路難以在保護(hù)區(qū)邊界和沙丘之間尋找到一條可行的通道。研究結(jié)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(hù)區(qū)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(jīng)過外業(yè)實(shí)地大面積調(diào)查，小里程端原有的風(fēng)沙鏈之間的平沙地已被沙丘所覆蓋，局部沙丘高達(dá)20 m以上;中間部分沙丘南侵嚴(yán)重，大片紅柳林谷地被沙埋而死亡，形成流動(dòng)沙丘;大里程端的紅柳林谷地被進(jìn)一步壓縮，與外側(cè)平原的通道已被沙丘鏈阻隔。綜合結(jié)果顯示，該通道風(fēng)沙的作用較強(qiáng)，風(fēng)沙堆積的速度較大，線路通過的危險(xiǎn)性很大。

圖2 南側(cè)線路經(jīng)流動(dòng)沙丘段局部方案示意

4.3 南側(cè)流動(dòng)沙丘穿越方案(方案三)

根據(jù)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(cè)新月形沙丘鏈的最薄弱部位，沙丘高度較矮，穿越流動(dòng)沙丘的長(zhǎng)度也最短。線路位置南側(cè)邊沿為一河流，是額濟(jì)納河每年3月和10月份上游放水時(shí)向天鵝湖注水的通道，河流南側(cè)的沙丘比較高大。對(duì)比分析表明，在小里程端(進(jìn)素圖端)風(fēng)沙有一定程度的南移和東侵，其他地段的風(fēng)沙變動(dòng)趨勢(shì)較小。2006年的外業(yè)實(shí)地調(diào)查也證實(shí)，小里程端的紅柳林谷地的北側(cè)邊沿的一些紅柳等沙生灌木已被沙埋而死亡。綜合分析結(jié)論:由于北側(cè)的沙壟和南側(cè)河流的阻擋，該通道風(fēng)沙活動(dòng)相對(duì)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(zhǎng)，這也抑制了沙丘的發(fā)展速度。但風(fēng)沙活動(dòng)的作用還是在緩慢的增強(qiáng)，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(cè)流動(dòng)沙丘穿越方案為貫通方案。

4.4 經(jīng)由南側(cè)流動(dòng)沙丘地段工程及防沙措施方案研究

國(guó)內(nèi)受風(fēng)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(fēng)沙綜合治理最為成功。國(guó)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(guó)內(nèi)外風(fēng)沙鐵路綜合治理主要特征

由表4可知，目前國(guó)內(nèi)主要采用路基形式通過，一般選擇在具備植物生長(zhǎng)條件的地方，而在干旱少雨且不具備植物生長(zhǎng)的地段，往往風(fēng)沙危害嚴(yán)重，難以根治。

結(jié)合沙丘分布情況、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，本段線路防沙工程先后研究了風(fēng)沙路基通過方案、橋梁跨越方案、防沙棚結(jié)構(gòu)方案、防沙明洞結(jié)構(gòu)等4個(gè)方案。

4.4.1 風(fēng)沙路基通過方案

對(duì)分布在 GDK585+720～GDK592+380、GDK597+460～GDK598+880段流動(dòng)沙丘采用風(fēng)沙路基通過方案，平面植被防護(hù)長(zhǎng)7 800 m，防護(hù)寬度上風(fēng)側(cè)(右側(cè))坡腳15 m外550 m、左側(cè)坡腳15 m外350 m范圍內(nèi)采用植被和草方格固沙，并在外側(cè)空留帶邊緣設(shè)置高立式沙障。配合植物防護(hù)，需設(shè)置水井3處，設(shè)置一套滴灌設(shè)備。設(shè)治沙工區(qū)一處，新建20 m2房屋1間，配備必要的工器具設(shè)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(dòng)沙丘地段，橋長(zhǎng)分別為6.66 km和1.42 km。

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

4.4.3 防沙棚結(jié)構(gòu)方案

采用防沙棚結(jié)構(gòu)方案穿越流動(dòng)沙丘地段，防沙棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式為高強(qiáng)度樹酯玻璃鋼蓋板及鋼管拱+鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)。其下部為U形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由兩側(cè)側(cè)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(lián)結(jié)系構(gòu)成骨架，上覆玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合板。結(jié)構(gòu)總高度約9 799 mm，有效凈空面積45.68 m2。防沙棚結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)8 080 m，工程投資14 106.064萬元。

4.4.4 防沙明洞結(jié)構(gòu)方案

采用防沙明洞結(jié)構(gòu)方案穿越流動(dòng)沙丘地段，防沙明洞結(jié)構(gòu)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(yù)留單側(cè)救援通道，內(nèi)軌頂面以上面積不小于52 m2。防沙明洞結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)8 080 m，總概算144 052 334元。

防沙明洞結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 防沙明洞結(jié)構(gòu)

4.4.5 研究分析及結(jié)論

采用風(fēng)沙路基通過方案工程簡(jiǎn)單，一次性投入少，但對(duì)沙漠的防護(hù)范圍很大，后期維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用巨大，需增設(shè)防沙工區(qū)，工作條件差。本區(qū)是嚴(yán)重缺水地區(qū)，每年需二次外調(diào)放水進(jìn)居延海，保證胡楊林用水。如采用滴灌技術(shù)，抽取地下水，將對(duì)胡楊林的生長(zhǎng)產(chǎn)生極大影響，防護(hù)效果也不理想，路基容易受到風(fēng)蝕和沙埋，且存在很大風(fēng)險(xiǎn)，有可能一夜之間，所有的防護(hù)全部破壞，不能根除風(fēng)沙隱患，工程完成后運(yùn)營(yíng)安全難以保障。

采用橋梁跨越流動(dòng)沙丘方案，工程措施簡(jiǎn)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重積沙，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需考慮積沙荷載，基礎(chǔ)工程量大，同時(shí)橋面軌道也可能積沙，工程可靠度不高，不能完全根除風(fēng)沙隱患，工程完成后運(yùn)營(yíng)安全保障性較差。工程投資估算也最大。

采用防沙棚結(jié)構(gòu)方案，基本適應(yīng)防護(hù)需要，防護(hù)工程相對(duì)較小，可根除風(fēng)沙隱患，工程完成后運(yùn)營(yíng)安全。但工程技術(shù)需進(jìn)一步研究和創(chuàng)新，從施工難易程度及工期控制來講，防沙棚結(jié)構(gòu)施工需進(jìn)行鋼筋混凝土的澆筑、鋼管及聯(lián)結(jié)系的安裝、棚面板的鋪設(shè)等，因相關(guān)類工程施工經(jīng)驗(yàn)較少，施工組織及施工管理相對(duì)較難，工期相對(duì)較難控制，存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

采用防沙明洞結(jié)構(gòu)方案，從設(shè)計(jì)及施工技術(shù)角度看，雖然明洞結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力要求高，需考慮通風(fēng)、照明和維修設(shè)施的配備，但明洞作為隧道結(jié)構(gòu)其設(shè)計(jì)與施工具有成熟的技術(shù)，其結(jié)構(gòu)整體性好、抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，施工組織及施工管理相對(duì)較容易，工期易于掌控，可根除風(fēng)沙隱患，工程完成后運(yùn)營(yíng)安全。

研究比較，經(jīng)流動(dòng)沙丘地段防沙工程措施推薦采用防沙明洞結(jié)構(gòu)方案。

5 結(jié)語

臨策鐵路防沙明洞(1號(hào)明洞、2號(hào)明洞)，是目前我國(guó)僅有的2座因通過沙漠地段防沙而修建的明洞。以明洞結(jié)構(gòu)作為防沙措施，確保鐵路后期運(yùn)營(yíng)不受風(fēng)沙侵襲，是我國(guó)鐵路及交通設(shè)計(jì)的一個(gè)嘗試。其修建經(jīng)歷了環(huán)保選線、地質(zhì)選線和工程選線的研究比較過程，集中反映了我國(guó)當(dāng)前鐵路設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹環(huán)保優(yōu)先、依法選線的原則和理念，同時(shí)在滿足鐵路運(yùn)營(yíng)安全的前提下，選擇結(jié)構(gòu)安全、施工簡(jiǎn)單、具有成熟技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的工程防護(hù)措施。臨策鐵路防沙明洞建成后，內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)其他經(jīng)由風(fēng)沙地段鐵路先后進(jìn)行了防風(fēng)沙明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。這一工程結(jié)構(gòu)對(duì)國(guó)內(nèi)外經(jīng)由風(fēng)沙、雪埋地段等同類型鐵路、公(道)路的防風(fēng)、防沙、防雪措施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定設(shè)計(jì)指導(dǎo)和借鑒意義。

［1］中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.新建臨策線烏蘭敖包至策克段初步設(shè)計(jì)［R］.北京:2006.

［2］中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.新建臨策線烏蘭敖包至策克段初步設(shè)計(jì)審查后補(bǔ)充資料料［R］.北京:2006.

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