论沙漠地区铁路防风沙侵害施工技术要点

论沙漠地区铁路防风沙侵害施工技术要点

 罗舟

中铁五局一公司

摘  要：我国铁路网络建设以迅猛的速度稳步推进，已逐渐构建起以京城为核心，实现对全境各省市直达的轨道交通体系。随着西北地区发展的扩大，西北铁路网的建设得到了迅速发展。和若铁路S4标段跨越区间大，覆盖二县二团，标段正线长度127.89km，标段位于塔克拉玛干沙漠南缘，对线路安全运营威胁最大的就是风沙，风沙影响长度为45.4km，占线路长度高达35％。由于恶劣的天气和地质条件，在沙埋和其他风沙环境中，沙漠铁路很容易受到风吹沙的影响。为了确保铁路的正常运行和安全，研究沙漠地区防止和防止铁路风沙干扰的技术方面尤为重要。

关键词：沙漠地区；铁路；防风沙；施工技术要点

引言：伴随着我国铁路建造技术的持续进步，西部地区逐渐铺开了更多的铁路线路。青藏铁路、兰新铁路、宝兰铁路、太中银铁路等线路的开通，不仅促进了西部丰富的自然资源及时运抵目的地，也加快了西部地区的发展进程[1]。中华国土辽阔，地貌结构多样，其沙漠土地大约覆盖了700,000平方公里，属于全球范围内沙漠区域广阔且沙漠化问题较为严峻的几个国家之列。因此，研究在沙漠地区铁路防风沙侵害的措施尤为重要。

一、工程概况

本标段为新建和田至若羌铁路S4标段，标段起止里程为DK294+000～DK419+900，正线长127.89km。位于塔克拉玛干沙漠南部边缘的和若铁路，常遭遇强烈且频繁的沙尘暴，每当沙尘暴袭来，沙粒弥漫天际，视线几乎为零。和若铁路的S4作业区段沙尘影响全长为45.4公里，细分为严重沙尘区域6.4公里、中度沙尘区域34.5公里以及轻度沙尘区域4.5公里。风积沙路基工程施工成为本线的施工重点，根据当地经验、深入了解及其他类似铁路项目的成功案例决定采用“以芦苇方格加高立式沙障相结合的工程防沙确保铁路建设及运营过程中安全、畅通，后期植物防沙建立生态平衡为目标”[2]，采用乔木、灌木、芦苇方格、高立式沙障相结合的最优组合。

二、风沙防护原则

针对和田至若羌铁路S4标段的建设，所采纳的沙害防御措施强调“预防为先，结合治沙”的策略。此外，方案讲究针对不同地理位置上一年之内沙尘累积的特点进行因应，汲取且末县与兵团在沙害防制上的实践知识，灵活多样地进行整体处理。实施了工程与植被复盖结合的手段，显著缓解了土壤沙漠化的状况，使土地沙漠化的情况有效改善[3]。

三、风沙危害

和若铁路S4标地处塔克拉玛干沙漠南缘，沙漠地区植被稀少，水土流失严重。多年来，沙漠地区发生了多次严重影响列车运行安全的沙尘暴事故。铁路建成后，由于铁路路堤的阻碍，当沙风道经过时风速降低，或者铁路附近有涡流，沙风会落在铁路上，这会导致铁路上形成沙堆，或者道床上的沙子过多，从而导致机车脱轨[4]。

（一）路基风蚀

在多风和多沙地区，沙子会影响铁路路基的使用时间，铁路路基两侧均有风蚀现象发生，尤其是路基路肩处风蚀最为严重。路基风蚀严重程度与路基填料种类、风速大小紧密相关。路基填料粒径越大，抵抗风蚀能力越强。风速越大，风蚀量越大。在路基迎风侧路肩处观察到的风速最大，在路基坡脚处处观察到风速最小。风蚀造成路肩宽度不足，枕木外露，风蚀严重的地方路肩全无[5]。

（二）沙埋轨道

沙埋轨道是常见的风沙危害，一是风沙透过防风措施与路基障碍物向前移动，风沙由于铁路路基阻挡无法继续移动，导致风沙在铁路路基上堆积填满轨道，三是风沙流由于铁路路基防风措施的设置与路基障碍物存在使沙粒在线路上堆积以及沙丘整体前移是沙埋产生的原因[4]。

（三）涵洞积沙

和若铁路S4标地处塔克拉玛干沙漠边缘，年平均沙尘天气天数为162天，将近一半的时间为沙尘天气。遭受风沙影响时，风的速度在涵洞区域发生变化，导致沙粒在涵洞的进出口处集结堆积，进而引起桥下通道的阻塞。这样的情况下，遇到暴雨洪水无法迅速排出，结果是铁路路基受到冲刷损伤。

四、预防措施

依据和若铁路一带治理流沙的具体知识，遵循“以防为主、防治结合”[6]“预先防范与多方联合治理”的原则，采取了结合工程防沙和植物防沙的抗风固沙方案。在铁路建设期间，通过建设风障沙障等工程措施，对风沙侵蚀进行了初步遏制，缓解了沙子对路基的破坏。至于由植被实施的固沙手段，在早期由于植物成长所要的时间较长，其效果比较有限。随着时间的推移，植被渐渐郁郁葱葱，将能显著优化本区域的微气候状况，并且在抵御风沙和加强沙漠治理方面发挥重要作用。和若铁路S4标根据不同风沙地段、不同气候条件采取不同的防治措施。

（一）有灌溉条件的长达连续风沙段落

此区域主要集中在DK294+000〜DK337+450段落，风沙长度达到37km，采取植物防沙措施从源头控制风沙。

植物防沙措施主要包括植物防护林带、方格固沙带、前沿阻沙带。植物防护林带、方格固沙带、前沿阻沙带根据不同风沙严重程度采取相应措施。

风向一侧的植被保护区宽达百米，而其背风面的宽度则缩减至六十米。

芦苇方格固沙带采用0.3m高芦苇方格进行固沙。

迎向风面的先锋沙障设置1至3层，而背风面设有1至2层，利用1.2米高的立体沙屏来阻挡沙粒，这些沙屏由芦苇制成的排列沙障和高度为2.0米、直径不小于7厘米的圆形木材或者长度和宽度均不小于7厘米的方形木材构成。

植物防治措施的应用不仅效果好，而且对保护周边生态环境起到了促进作用，带来了一定的经济效益。

（二）无取水条件及风沙零星分部段落

此区域主要集中在DK399+220〜DK419+900段落，风沙长度达到8.4km，采取工程防沙对风沙进行防护。

工程防沙措施主要包括方格固沙带和前沿阻沙带。

正面迎接风沙的方格防护区域宽度介于100至300米之间，而其后方背离风向的部分则在50至200米范围内。

风向前方的抗沙屏障设有一至三层，而在其背风面则设置了一至二层。

植物防治是从根本上解决自然灾害问题的最重要方法。和若铁路S4标根据不同风沙地段建立符合项目特点的综合保护体系，根据不同严重程度调整防治措施，降低风沙对和若铁路的危害。

五、施工技术要点

（一）铁轨除沙装置方面

目前，由于机械除沙的局限性，轨道积沙后的清理方法多为人工清理。但人工清理效率低、劳动密集且成本高，无法满足内部轨道砂的清理要求。

（二）防护体系布设方面

铁路风沙防治体系的布设主要由工程防沙与植物防沙组合而成，植物防沙措施主要包括植物防护林带、方格固沙带、前沿阻沙带。工程防沙措施主要包括方格固沙带和前沿阻沙带。

（三）防火隔离带

和若铁路S4标DK399+220〜DK419+900段工程防沙的材料主要为以芦苇、木立柱为主，植物防沙到冬季时植物枯萎，容易着火，根据实际情况采取防火的措施与铁路工程隔开。防火隔离带宽度15m，平铺0.1m厚卵砾石土覆盖线路周边的积沙，养护维修通道范围铺设0.5m厚卵砾石土保证车辆的正常通行。荒漠地带常遇强风，日夜气温悬殊，运用鹅卵石混合土壤，目的在于其坚硬持久，能抵御风化与降雨侵蚀，同时具备绝热和保持水分的功能。

（四）芦苇条带与灌木结合固沙带

在有灌溉条件的长达连续风沙段落DK294+000〜DK337+450中采用芦苇条带与灌木结合固沙，芦苇条带与灌木结合固沙带主要起到固定线路周边沙害的作用，保障靠近线路周边不起沙，沙子不移动。先期依靠芦苇条带固定沙害，植物长大后，则利用植株发达的根系固定流沙。植物栽植范围为了减小工程干扰，保障管道的铺设以及后期苗木栽植及管养，固沙措施采取芦苇条带，植物栽植的条带间采取芦苇方格，保障铁路线路周边沙害不再移动。

（五）芦苇方格阻沙

芦苇方格固沙带，一是进一步减小线路周边起沙的风险，二是对外侧阻沙林带进来的沙害起到完全阻断的作用，是外接内连的防护带。

芦苇方格施工速度快、施工简便且效果好。芦苇方块围障作为此项防护系统的核心技术手段，其主要使用材质为芦苇。布置方式为：在沙垄表面构成类似棋盘格局的分布形式，而每个独立的芦苇格块设计得与盛行风向成垂直角。为了取得最优的沙土定位效能，选用1米乘1米的植草格子。具体的芦苇格块建设步骤包括：先在地面上标出预定的芦苇格子的线条，然后将单层芦苇按照这些线条的垂直方向井然有序地铺设，紧接着用平头铲沿着标记线使劲将芦苇推进沙层之中，接着在两旁堆积沙土。

（六）高立式芦苇阻沙沙障

高立式沙障[7]阻沙带主要起到阻挡外侧来沙的作用，为防沙体系的第1道防线，为植物生长提供先期保障。在植物未长大之前，将外缘80％以上的来沙阻挡在该区域，防止植物及管道被埋，将沙子远远的阻挡在铁路的外侧，保障线路的安全。

垂直栽植的芦苇可形成沙屏，该沙屏结实耐用。这种沙屏是由芦苇行、木棒和钢丝组合而成，其风通量维持在百分之四十至五十之间。

（七）乔灌结合阻沙带

植物防沙措施中采取乔木、灌木相结合的阻沙措施，乔灌结合阻沙带主要起到阻挡外侧来沙的作用，将外缘80％以上的来沙阻挡在该区域。首先通过高大的乔木降低风速，当风速降下来后，积沙就会慢慢堆积，再利用灌木的枝繁叶茂将流沙层层阻拦。

（八）植物种植

1.选苗

植物配置上选择灌木时以怪柳、梭梭、山拐枣为主，而作为乔木植被则选用胡杨树。采取的苗木应该是两年生裸根苗，其根部结构（从地面水平根部往下计量）的长度应达到20厘米以上，苗木自地面向上的高度需要至少为30厘米，而且其胸径最小限度为2厘米。

2.种植

树苗的栽培宜选春秋两个季节实施，在种下时采取翻坑的手法，即是在预定种植的网格草地上挖出种植沟，用随后一沟的泥土填补前一个沟来种苗，整个过程需要保持土壤湿润，统一采用淹水式种植并铺上耐旱泥土覆盖。在水分不足时应适时灌溉，以保障树苗能够顺利生根。

3.灌溉自动化

自动化智能灌溉控制系统主要由首部监控站控制系统、机井控制系统、灌溉阀门控制系统等组成。

首部监控站控制系统：首部监控站控制系统是具有首部数据收集及展示功能、阀门控制器控制及信息反馈的控制器，主要负责机井水泵的起闭控制、灌溉阀门开关等。

机井控制系统：根据来自首部监控站控制系统命令来控制水泵启停，同时检测出口压力，压力过高时主动停止水泵，防止爆管事件发生。

灌溉阀门控制系统;此系统构成由通信管理中心、浇灌管理远程终端单元（RTU）以及浇灌用的电磁阀三部分组成，其主要安置于供水桩位区，能够与源头监控中心的管理体系自动构建起通信联网。浇灌管理的远程终端单元直接与电磁式阀门和状态反馈装置衔接，它根据源头监控中心发来的指挥信号来操控电磁阀的开与关，并将电磁阀的当前状态回传。

六、效果

随着和若铁路风沙路基[8]工程的修建，路基会阻挡风沙的移动和通过，不会消除或减轻风沙的危害，只会不断影响周围区域的风沙形态分布。和若铁路采用工程防沙+植物防沙的综合防沙体系，实现了建设期沙害不上道的目标，成功将沙害远远阻挡在路基外侧。目前和若铁路S4标植物综合成活率达到85%以上，植株平距高度在1.0～1.5m左右，绿色长廊初现规模，为和若铁路的安全运营保驾护航。

七、建议

高立式沙障施工过程中需要考虑坡度及迎风面作用，保证高立式沙障的埋置深度及固拉措施，

机制芦苇束帘与人工芦苇束帘建议采用机制芦苇束帘，机制芦苇束帘施工速度快、整体效果美观、间距均匀、防沙有效期长。

芦苇方格施工过程中对芦苇种植深度、外露长度、密集度进行重点控制，确保芦苇方格在防沙有效期内正常发挥作用。

根据不同的地质情况，要选择适合当地生长的沙漠植物且尽量选用且末县周边的本土植物，1-2年生苗木最好。DK294+000〜DK337+450风沙段落适宜的植物树种有：梭梭、柽柳、沙拐枣、胡杨、沙枣；柽柳要选择扦插苗，不得选用根裂苗。乔木地径采用0.5〜1.5cm，保留较完整的须根；灌木苗木地上高度不小于30cm。植物种植时建议采用梭梭与沙拐枣，梭梭与沙拐枣成活率高、长势快、苗木成本低。梭梭苗在3月份种植完未能成活时及时在5月份补种梭梭种子

植物种植后需要及时启用自动化灌溉系统，过程中加强巡视，确保灌溉系统正常使用，植物管养是植物成活率的重要保证措施。

植物管养过程中，养护人员的责任心、负责任程度直接影响着苗木的成活率。任何一个环节出现问题均会导致苗木的成活率大幅降低，因此选择实施的人员非常关键，选择沙漠种植经验丰富且责任心强，是防沙植物能够尽快落地生根的关键因素之一。

在挖掘与搬运幼苗过程中应当注重为植株补充水分并维持其湿润状态，这包括在拔除幼苗之前充分灌溉，并在运送途中采用裹泥浆包裹、喷洒水分、以及覆盖湿润草帘等手段。抵达林地之后应尽快将其种植；若无法即刻种植，则需要暂时性植入并进行浇水保湿。种植过程中应剪除受病虫害的根部和异常延长的根系，以维持地面以上及以下部分的均衡。

采用塑料护筒的方式来避免野兽对嫩苗造成咀嚼和摧毁，同时用芦苇捆扎固定幼苗的根土团以减缓风力作用，确保植株根部湿润并稳固其根系。

铺轨后，意味着不能再有沙害，否则就前功尽弃了。但是在建设期，由于施工的原因，线路附近沙害仍然存在，路基本体填筑的是风积沙、原地面为风积沙，比如实施骨架护坡、防护栅栏、桥涵锥体、通信光电缆等工程时，当施工一扰动，便在线路周边形成沙源，对线路威胁很大，因此建议铺轨尽量往后靠，待相关附属工程基本完成后，再行实施铺轨。

八、结语

本文介绍了塔克拉玛干沙漠风沙对和若铁路线路的危害，结合和若铁路工程防沙+植物防沙综合防沙体系的成功实施，提出了沙漠区铁路的一些建设建议。

和若铁路结合沿线特殊的地理环境，采取以植物防沙与工程防沙相结合的设计思路，植物防沙段落将近37km，工程防沙与植物防沙相结合的治沙模式乃为上策，该防沙模式能够从根本上解决铁路的沙害问题，而且后期维管模式可以达到以林养林的良性循环模式。植株未长大之前，利用工程防沙挡住外部的沙源，2～3年之后，植株利用自身的枝繁叶茂，降低风速，拦截沙害，通过保护地表，建立人工林带，帮助恢复自然植被而治理风沙危害是可行的[8]。植物防护中植物本身作为一种经济作物在后期能产生经济效益，对当地经济产生有利影响。实行防风固砂的治理手段是安全稳妥的，同时带来显著的财经收益，非常适合在对环保要求苛刻、对施工工期有严格限制的项目中积极推行。此外，该策略在执行过程中采取了妥善的预防措施，未曾出现任何安全隐患，有效促进了工程速度，并且获得了施工、监理等相关部门的高度评价，实现了积极的社会效应。

参考文献

[1]王海龙,张治,孙婧,刘畅,李玉龙.戈壁铁路沿线防风沙栅栏设计参数优化分析[J].铁道科学与工程学报,2019,16(06):1420-1426.

[2]赵建斌，汤宇，刘云龙，彭学军.铁路沿线风沙综合防护治理技术研究[J].中国设备,;2022年05期.

[3]王涛.中国风沙防治工程[M].科学出版社,2011:141-163.

[4]张立群,许振海,董捷,隋孝民.雅丹地貌沙漠铁路防风栅栏支护结构优化设计[J].铁道建筑,2016(10):38-41.

[5] 程建军，蒋富强，杨印海，薛春晚.戈壁铁路沿线风沙灾害特征与挡风沙措施及功效研究[J].中国铁道科学,1001-4632（2010）05-0015-06.

[6]黄新智.酒额铁路酒泉至东风段风沙防治措施研究[J].铁道建筑技术,1009-4539（2018）03-0121-05

[7] 谢德江.哈罗铁路戈壁风沙流路基防治措施.科技交流,2013年第2期7-10,.

[8] 李腾飞.关于风沙路基防护的研究[J].中国科技纵横,1671-2064（2019）09-0128-02.

[9] 孙庆伟，王涛，韩致文，张伟民.北疆铁路沿线风沙危害的研究[J].中国沙漠,1000-694X（2004）02-0182-05.