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，在林带前缘形成弱风区，部分气流通过林带，受到树枝的阻挡，消耗了大量的

动能，

使气流中挟带的沙粒在林带中停积下来。另外，沙生植物具有庞大的根系，

可以固结

周围沙粒；

枯枝落叶经腐烂后能改变沙层的结构，

随着植物的增加以及微生物繁殖等，

使流

沙逐渐向地带性土壤发育。

在地表沙障固沙和长有植物的地方，

时间一长沙面就出现大量藓

类植物，它的根、茎与粉、粘粒粘结在一起，使沙表面形成凸状结皮，沙粒也就固定下来。

因此植物固沙不仅能削弱风速、阻挡外来沙源，同时还能通过植物的成土过程以固定沙流，

可以说固沙造林是控制和固定流沙最根本和有效的措施。

 

植物固沙作为铁路沙害防治的重要措施有着其它措施所不能替代的作用，

然而却严格受

到自然条件的限制，

如降水量、

沙层天然含水量、

地表稳定程度等。干旱半荒漠及极干旱荒

漠区自然条件复杂严酷，光热充足，虽然有利于植物生长发育，然而干旱缺水、风沙活动、

土壤贫瘠等，

却不利于植物生长和定居。

在年降水量小于

100

毫米的荒漠地区，

如果没有灌

溉条件或较高的地下水位，就无法建立人工植被；在年降水量为

100

～

250

毫米的半荒漠地

区，在有人工沙障的条件下，只能建立稀疏的人工植被；只有在年降水量为

250

～

500

毫米

的草原地区，固沙造林才比较容易，

除可生长旱生植物外，还能生长一些中生植物。因此在

干旱半荒漠及极干旱荒漠区，

风沙活动还可以靠人工沙障来解决，

而在植物固沙活动中，

干

旱缺水则是历来比较难以克服的问题。

近些年来，

中铁第一勘察设计院在铁路沙害防治工程

中，

使用自动控制的大型微灌系统灌水方法，

很好的解决了这一难题。

在以往的铁路沙害防

治实践中，将高大沙丘平整成梯田，修筑干、支渠进行自流漫灌，虽取得较好的固沙效果，

但渠灌用水量大、

费用高。

所以应摒除这种占地费水的明渠漫灌，

积极采用暗管输水的微灌

技术，使水滴渗入沙中湿润植物根部的灌溉方法是值得推广应用的。

 

1.3.3

路基本体防风蚀防护

 

在包兰线沙坡头一带，

因线路临近黄河，

河滩盛产卵石，

采用筛选的卵石在路基边坡和

路肩上平铺或打方格做骨架，效果较好，

迄今仍完好无恙，认为是较好的设计。但是打方格

必须用人工垒砌，

不能采用机械化施工。

所以后来铁道兵施工的地段，

只好改用天然级配的

卵石在边坡上平铺

0.3

米厚，任凭大风把其中所含的细砂吹走，以剩下的粗粒、卵石护住边

坡，

这样做成的路基质量不如卵石方格那样稳固和美观，

且不可避免的造成道床上微量的积

沙。

 

近年来，

随着化学固沙方法的深入研究和实践，

各种新的化学粘结剂、

有机高分子化合

物不断出现，

这在极干旱区，

特别是植物难以生长的风沙荒漠区路基防护中发挥了一定的积

5 

 

极作用。

此外人工合成覆盖材料也随着研究工作的逐步深化而生产和使用，

人工合成覆盖材

料包括软覆盖材料和硬覆盖材料，

软覆盖材料主要用于临时性防护措施，

材料组成以生物降

解天然材料及光降解合成材料为主，

硬覆盖材料多用于永久性防护措施中，

材料除混凝土块、

混凝土板材外，还有各种不同结构的土工网。

 

1.3.4

路基断面型式的选择

 

通过沙漠地区的路基断面型式何种最为有利，

起初只根据苏联的有关书本认为路堑深达

4

米后不易积沙，理由是风沙穿过路堑时堑内产生涡流，加强沙子越过的力量，沙子不会掉

在路堑内，

并认为路堤是最易积沙的，

要求路堤高度不低于当地的沙丘高度。

但是经过实践

证明，

高路堤是不易积沙的断面型式，深路堑却是最容易积沙的。

其所以易于积沙，并非从

堑顶上掉下来的沙子，

而是刮大风时路堑内同时产生顺路堑纵向吹的弄堂风，

把路堑进口半

填半挖出的积沙带到路堑深处，

而深路堑清沙的运距是最长的，

这是深路堑的最大缺点。

包

兰线平吉堡一个风沙工点，原是深

3

～

4

米的路堑，在运营期间经常积沙，为此养护部门把

该路堑边坡削平变成大平台，医好了沙害。此后在设计纵断面时，

尽量避免挖方断面，

即使

不得已出现个别短路堑，

则在路基设计时采用展开式路堑，

或在路肩外挖成积沙沟，

人为地

把路堑断面变成路堤式样，

可减少路面直接受积沙的威胁。

因路堤越高道床越不易积沙，

设

计中没有按苏联有关要求路堤要高过当地沙丘平均高度的规定办理，一般只要求

1.5

米。再

高了将造成土方量过大，

且无此必要。

从包兰线沙坡头的治沙情况看，

只要路基两侧均有很

宽的草方格网作防护，

沙子不会大量在路基附近滚动，

不论路堤还是路堑，

道床积沙现象都

较轻微。

 

1.4

基本经验和评价

 

在沙漠区由于沙的松散性和风的搬运作用，

给铁路修筑带来一系列危害。

如不采取防护

措施，

线路两侧流沙受到风的吹扬搬运，

遇到铁路路基的阻挡就会大量停积下来，

掩埋道床

及钢轨。用粉、细砂填筑的路基容易被风吹蚀，路肩部位尤为严重，甚至使枕木头外露，危

及行车安全。

气流中沙粒对机车车辆及通讯设备的撞击磨蚀，

也将造成严重磨耗。

因此在沙

漠区修筑铁路，需结合风沙特点采取相应防护措施。

 

1

、在选线方面应尽可能绕避严重流沙地段，选择有利地形将线路布在沙漠边缘、黄河

岸缘和固定、

半固定沙丘区，

以减轻风沙对铁路的危害。

包兰线迎水桥至一碗泉航空距离为

38

公里，而地面高差达

450

米，在此以

6

‰、双机

12.5

‰坡度利用有利地形迂回展线，取

得了很大成功。

迎水桥至孟家湾段为高大流动沙丘，

勘测时曾有高低两个方案。

高方案向北

直穿沙漠，线路比低方案短

3.05

公里，但走行位置高，风沙活动大，且出现多段挖方，不

利于防沙。

低线方案紧贴黄河岸沿，

线路有所展长，

工程费高，

但由于减少背风侧防护宽度，

且可提灌黄河水造林，

目前铁路沿线已郁闭成林，

取得了很好的防沙效果，

说明选择低行方

案有很大的优越性。

孟家湾至干塘段，

线路沿山前平原的槽形洼地和潜水溢出带通过，

沙地

在地表径流和地下水的浸润下，油蒿、柠条等生长茂盛，有效地阻止了流沙的迁移。

 

2

、在线路平、纵断面设计方面，线路走向应尽可能与主导风向平行，以减少路基的风

蚀和沙埋。

原因是，

如线路与主导风向垂直，

等于将整个沙漠拦腰截断，把大量的沙子阻拦

在线路的上风侧，

容易造成沙子埋道。

线路与主导风向平行，

风沙对线路的危害只限于路基

两侧的狭长地带，

路堤还具有一定的导沙作用。

中卫至干塘段，

线路与主导风向呈大角度相

交，

故需要在迎风侧采取大面积的防护措施。

就路基断面形式来说，

不填不挖和路堑最易积

沙，力求避免。从防沙观点看，路堤是最好的断面型式，当风沙流遇到路堤阻挡时，堆积在

坡脚及边坡上，不致马上埋道，对行车安全影响小。路堤积沙后，清沙工作也较简单，故较

路堑优越。

迎水桥至孟家湾段沙丘起伏大，

设置大平台与路堤相结合的形式；

孟家湾至干塘