中国沙漠戈壁铁路路基工程设计回顾

1中国沙漠戈壁铁路路基工程设计回顾李成（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043）【摘要】包兰线是中国第一条穿越沙漠的铁路，勘测设计工作从开始顾虑重重、缺少对策，经过不断试验研究，摸索出了一整套治沙经验。干武线自通车后，不但原有植被起到良好的固沙作用，而且在流沙上设置方格沙障后，一些乡土树种也自然繁殖起来，这些都收到了很好的效果。而大风则是新疆的特殊问题，兰新铁路所经地貌大都是平坦广阔、渺无人烟的戈壁滩，大风来时飞沙走石，破坏力极大，勘测设计者经过多次调查研究，掌握大风规律，提出整治方案，运营实践证明，挡风墙或半透风式防风栅栏都是成功的有效措施。对上述沙漠戈壁铁路路基工程的勘测设计工作进行回顾，具有很好的借鉴作用。【关键词】沙漠戈壁铁路路基工程勘测设计1沙漠铁路包兰线1.1勘测设计过程包兰线中卫至干塘段多次穿越腾格里大沙漠的东南缘，累计长达40公里，沙丘起伏，状若波涛，自古以来成为内蒙、宁夏西通兰州、凉州（今武威）驿道的巨大障碍。1918年国民党政府曾计划修建绥、宁、甘、新铁路，并进行过现场踏勘，但当到沙坡头面对一望无际的风沙大漠，只能望沙兴叹，束手无策，视为畏途。1946年，宝天铁路工程处组队勘测中卫至干塘段时，面对腾格里茫茫沙海，不敢布线通过，只有消极躲避，曾计划由干塘向西南，再沿西静沟和黄河北岸东下，经长流水，然后两跨黄河到达中卫。这样虽然全部避开了腾格里沙漠，但线路展长26公里，且增设2座黄河大桥和2公里隧道。新中国成立后，包兰线即列为华北通往西北的国家重要建设项目。1952年铁道部西北设计分局（1956年改名为铁道部第一设计院）担任兰州至银川的勘测设计任务。1952年草测时，曾有南北两大方案。南线方案是从兰州沿黄河南岸经靖远、中宁，在青铜峡过黄河至银川。北线方案是从兰州过黄河，经皋兰、中卫腾格里大沙漠至银川。在方案比选中，认为北线通过大沙漠困难，所以开始初测时是以南线为主。1957年7月，初测到靖远水泉一带时，发现1920年海原大地震（震级8.5级、宏观烈度10度）形成的山崩、地裂、断层、错台、涌砂垄岗等地震破坏现象纵横分布，随处可见，经铁道部及苏联专家现场会勘，认为震裂现象严重，线路距震中较近，决定进一步勘察北线。1953年8月，铁道部西北设计分局组建队伍对北线方案又进行了现场勘察研究，重点是针对铁路线能否通过腾格里大沙漠边缘的沙坡头高大流动沙丘问题。当勘测队伍走进沙坡头新月形沙丘链形成的奇特景观区时，见到的是格状沙山茫茫一片，链状脊线苍黄一色、纵横交错，宛如织锦，层峦迭障，迂回蜿蜒，真是不毛之地、生命禁区的无垠荒漠。但在这浩瀚荒漠的格状沙丘链中，有一座坐北朝南的古庙叫茶房庙，该庙建于清代，当时已有百年以上的历史，庭院中还长有茂盛的沙枣树，未被流沙掩埋。这给勘测人员以启迪和思考。在现场勘测中遇到几次沙霾，一次较大的沙霾刮得天昏地暗，使勘测人员无法行进，便跑到茶房庙躲避。进庙后只见弥漫尘埃，不见沙子，到外面观察，只见沙子都切着墙角、顺着地面似流水状沿庙前高级阶地向黄河倾泄，沙子在庙前堆积不起来，这才悟出了茶房庙不被沙埋的道理，联想到把铁路建于茶房庙的前部，沿黄河阶地前缘通过，将是可行的方案。经向铁道2部及苏联专家回报、多次讨论研究，最后决定以通过沙坡头的北线作为初测主要方案。同时，以茶房庙为科研基地，建立沙漠观测站，对气象要素、沙丘形态、风沙活动规律等进行观测。1954年2月，铁道部西北设计分局在茶房庙东侧设计试验路基，进行路基断面形式、防护类型、防护材料及种草、种树等生物绿化植树造林试验。1957年铁道部第一设计院根据观测、试验研究成果资料，编制出全套防沙技术设计，由铁道部第一工程局付诸施工。1958年7月包兰线东西两段在银川接轨，同年10月交付运营。这条铁路是中国第一条沙漠铁路，是穿越沙漠地区筑路史上的创举，也是目前世界上穿越高大流动沙丘唯一的干线铁路，为世界沙漠筑路做出了贡献。1.2设计研究工作沿革1953年，铁道部西北设计分局勘测设计包兰线时，苏联专家雪洛敏切夫提出在沙坡头腾格里沙漠建立沙漠观测站。为了取得在沙漠区筑路的经验，铁道部西北设计分局接受了这个建议，于1954年1月在茶房庙建立了中国第一个沙漠铁路观测站，观测和研究气象要素、沙丘形态特征及风沙活动规律。1955年，铁道部为今后在其它沙漠地区修筑铁路打好基础，又令铁道研究所主持这项试验研究工作。5月施工完成试验路基450米。为了解线路以北广大沙区自然情况，铁道部西北设计分局邀请兰州大学地理系师生，进行了大范围的实地调查，对沙漠分布情况和沙丘的成因类型有了进一步的认识。同年提出《包兰线中卫沙漠地区修筑铁路的初步研究报告》供设计用。1956年国家建委将中卫铁路防沙列为国家科研重点项目，由铁道科学研究院主持，铁道部第一设计院和中国科学院潘阳林业土壤研究所参加，组成中卫铁路防沙研究工作站，开始固沙造林的试验研究。甘肃气象局派人参加气象观测。同年底与地方协商成立中卫铁路固沙林场，负责沿线育苗造林工作。1957年铁道部第一工程局第一工程段进驻沙漠施工，进展迅速，1958年8月1日开通工程列车。当时路基两侧的风沙基本全赖两侧固沙带的草方格半隐蔽沙障来固定，保证了线路无严重积沙现象，列车得以安全畅通。当年，铁道部第一设计院还编写了《铁路穿越沙漠的勘测设计》工作报告。为了保证固沙造林的顺利进行，铁道部还邀请林业部造林调查设计大队提出了包兰线中卫至干塘段铁路固沙造林设计文件。1959年春，中卫铁路防沙研究工作站在兰州召开技术总结会，提出了《包兰铁路沙漠地区修筑路基和固沙林的研究报告》。这年秋天，铁道部在中卫召开现场会议，就勘测、设计、施工、养护和科研方面的成绩作出初步总结。自此，西北铁路的风沙处理措施有了蓝本。1.3铁路防沙措施的变迁1.3.1路基两侧固沙带的机械防护最初在沙坡头施工的试验路基所采取的防沙措施，是在路基两侧设置大平台，宽度为：迎风侧40～60米，背风侧20～40米。在平台表面铺盖卵石0.05米厚，以固定沙面不会被风吹蚀，并保持一光滑面，使沙子不会堆积。平台的纵、横坡度有严格的规定，纵坡不超过12‰，横坡不超过30‰，以致土方量很大。在平台外缘沙丘顶上设置立式防沙栅栏1～2排，沿线路方向成折线形布置，以阻挡外来沙子向铁路方向移动。防沙栅栏的结构系木框架芨芨草编席而成，每节长2米，高1.2米。当初设想，当沙埋栅栏后，可拔起重复使用，但实践证明，这种栅栏在风季遭到沙埋后想要拔起，必须先扒开沙子直至下横梁出露才能拔得动，费力费工不易实施。在风口处每逢大风防沙栅栏成排被风吹倒，修复极不方便，流沙破门而入，成沙舌状向铁路方向侵袭。而且，把栅栏设置在平台外缘坡顶上，距离线路近，随栅栏拔起再用，栅栏两侧积沙逐渐增高，沙梁的坡脚侵入大平台，长此下去平台宽度缩小，将威胁到铁路的安全。设置大平台旨在输沙，平台表面光滑，确能防止积沙成堆的现象出现，但流沙遇到钢轨后，只能输高过轨道的飞沙越过轨道，其余大部分顺地跳跃的沙子仍然越不过3轨道，不可避免的在道床上积沙，影响行车安全。当时，在现场有中国科学院林业土壤研究所（即中国科学院沙漠研究所）和中卫固沙林场在铁路两侧选点开展育苗与造林的试验，采用草方格半隐蔽沙障作为保护树苗不被风吹蚀或被沙埋没的措施，效果很好。这是一种很简易的柔性结构物，风来随风倾倒，能消减地面风速，它不仅能固定原地沙子不移动，而且还能阻挡外来的沙子在其周围停积下来，故能发挥既固沙又阻沙的双重作用。1957年7月，苏联院士、《流沙固定》一书的作者彼得洛夫来沙坡头，他赏识这种草方格半隐蔽沙障的作用，他建议在当地选一处流沙较厉害的沙丘上使用草方格半隐蔽沙障，配合防沙栅栏以减缓栅栏积沙的速度，试验结果很好。嗣后铁道部第一设计院就把尚未施工的两段线路共约2.6公里改变设计，取消大平台，改为就地形变化铺设草方格半隐蔽沙障的固沙带，把固沙带加宽到每侧有80～100米，固沙带外缘仍设置有防沙栅栏。1958年正恰中卫固沙林场开展大规模造林，在固沙带或大平台的外缘同样用草方格半隐蔽沙障铺设200～400米宽，在方格内播种草籽或树苗，只是草方格的尺寸随沙丘部位的不同、距离线路的远近，有的用到1.5～2.0米宽。从此线路状况大为改观，积沙现象大大减少。当时造林效果不很理想，但单靠这种草方格网则已征服了流沙，使之不再移动，保证了铁路的畅通无阻，这不能不说是中国铁路建设史上的一个奇迹，几十年来，吸引了许多外国专家接踵而来参观，可以说是驰名中外。草方格半隐蔽沙障作为固沙带的主要结构物一直沿用到现在，中国其它沙漠铁路风沙工点也广泛采用草方格网作为阻、固沙的主要措施。运营养护部门亦把草方格网作为抢险的法宝，遇到哪里有沙舌向铁路侵袭，用草方格网铺上，就能马上阻止沙舌前进，把它作为紧急处理沙害的工程措施，以维持通车。但是，草方格半隐蔽沙障毕竟不是十全十美的设备，它有不少缺点，其最大的缺点是草的寿命只有3～5年。时间久了草茎变脆，容易被风吹断，即使剩下稀落几根，也起不到阻沙作用。尤其现代农业多用脱粒机脱穗，经机械辗转出来的稻麦草，已压碎变短，做草方格用高度不足，更缩短了草方格的寿命，每年都需要投入大量的维修费用及劳动力。有人把它当作临时结构物看待，希望固沙造林工作能很快跟上，它就可以完成它的历史任务。不过实践证明，在干旱的沙漠地区植树是比较困难的，不能依赖短期内发挥作用，因此草方格半隐蔽沙障总是要更换几次才行，在没有植树条件的地区，还必须一直靠它作为固沙手段而每隔几年更换一次。而且在干旱荒漠流动沙丘区生物资源极为有限，且受季节的限制，生产实践中所暴露出的材料缺乏问题，以及人们对环境保护、维持生态平衡重要性认识的日益提高，使得寻求新的替代生物材料的设计、研究工作显得尤为重要和迫切。正是基于这种现状，随着一条条钢铁大动脉伸向沙区，铁道部第一设计院在此后的沙漠铁路路基工程中还设计采用了如苇把、树枝、黏性土埂、盐块（草皮块）、碎石（卵石）、沥青毡、组合式多孔复合岩板、土工网等多种类型的沙障，取得了很好的效果。1.3.2固沙造林固沙带草方格网机械防护须经常维修更新，故被视为临时措施。只有营造防沙林带减低风速，改变沙地流动性质，使沙面逐渐结皮，才能彻底制止风沙危害。因此植物固沙是防治沙害最根本的永久措施。所以尽量考虑在铁路两侧营造林带，创造灌溉条件，使其早成活，改变沙漠的风土条件，才能使固沙带的机械防护完成其历史使命。固沙造林工作是一件技术复杂的任务，其立地条件、水源情况、灌溉系统、植物树种的选择及林带的布置，都需要具有专门的知识。包兰线中卫一带的固沙造林设计，是由中国科学院沙漠研究所担任的。通过引种栽植试验，当时在流动沙丘区地下水埋藏较深的情况下，最适宜的当地固沙植物灌木类为花棒、柠条、小叶锦鸡儿，乔木类为沙拐枣、头状沙拐枣、沙木蓼、黄桠等，半灌木类为4油蒿、籽蒿等。试验证明，在栽种中应适地适树，不同沙丘部位配置适合植物种属，才能获得良好效果。如适于沙埋堆积部位，以黄桠、沙拐枣及籽蒿等植物树种为好，其堆积越剧烈，萌发越兴旺。风蚀严重地段适宜于花棒、柠条、油蒿等种属，风蚀越强烈，其根茎越向下扩大发展。对生物固沙的植物进行合理配置，考虑地面上下部合理结合、灌木与半灌木间互配置，从地面上部看，花棒、柠条植株直而高，而油蒿植株矮而丛生，二者间互配置，其固沙效果更能发挥；从地面下部看，花棒、柠条根系延深发展，一般可达80～90厘米，最深可达3米；而油蒿根系多在浅层发育，一般分布于20～30厘米范围。所以，混交配置就能有效地利用不同深度沙层中的水分、养分，促进植物生长。中卫铁路固沙林场于1968年起设置高扬程提灌工程，将沙丘平为梯田，引黄河水营造乔、灌木混交林带，成活率高、生长快，很快起到防沙效果。用工程措施防治铁路沙害虽然能立见成效，但需耗费大量的材料和劳力，且保存年限不长，需要经常维修和养护。而植物固沙不仅能削弱风速，改变流沙的性质，达到长久固定的目的，同时还能调节气候、美化环境，具有很好的社会效益。植物固沙能增加地面粗糙度，削弱和停止风沙活动。当气流遇到林带阻挡时，很大一部分被迫抬升，在林带前缘形