寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土分布規(guī)律及地基處理技術(shù)分析

付 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土分布規(guī)律及地基處理技術(shù)分析

付 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

寶雞至蘭州客運(yùn)專線為我國(guó)在隴西深厚層濕陷性黃土地區(qū)修建的第一條高速鐵路客運(yùn)專線。該線所屬區(qū)域濕陷性黃土厚度大、等級(jí)高，如何準(zhǔn)確查明沿線濕陷性黃土的分布規(guī)律對(duì)于基底沉降控制尤為重要。為了詳細(xì)查明寶蘭客運(yùn)專線沿線濕陷性黃土的分布規(guī)律，勘察中在全線開展詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察工作，同時(shí)，針對(duì)深厚層濕陷性黃土，采用深試坑、鉆探及靜力觸探相結(jié)合的綜合勘察手段，查明沿線濕陷性黃土的分布規(guī)律。從宏觀上對(duì)沿線濕陷性黃土分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并結(jié)合既有鄭西客運(yùn)專線的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)深厚層濕陷性黃土處理技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述。

寶蘭客運(yùn)專線；黃土；分布規(guī)律；地基處理；濕陷等級(jí)

1 概況

寶雞至蘭州客運(yùn)專線為國(guó)家 “四縱四橫” 高速客運(yùn)網(wǎng)的重要組成部分，屬于徐州至蘭州客運(yùn)專線的西段。線路東起陜西省寶雞市，沿渭河峽谷既有隴海通道進(jìn)入甘肅省天水市，向西經(jīng)過(guò)秦安縣、通渭縣、定西市后，兩跨既有隴海鐵路，經(jīng)榆中縣至終點(diǎn)蘭州西客站[1]。線路跨越陜西和甘肅兩省，全長(zhǎng)約400.14 km。東端與西寶客運(yùn)專線相接，向東可直達(dá)中原及華北、華東地區(qū)，向西可連通青海、新疆，并通過(guò)蘭州樞紐與蘭新第二雙線、包蘭鐵路、蘭渝鐵路銜接，位于東中部與西部鐵路網(wǎng)聯(lián)系的咽喉要道。該線約3/4的線路位于天禮盆地低山丘陵區(qū)及黃土梁峁溝壑區(qū)，由于線路設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，要求基底工后沉降不得大于15 mm。且區(qū)內(nèi)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，濕陷性黃土層厚度大、等級(jí)高，基底處理困難，為了有效控制濕陷性黃土的沉降量，線路主要以橋隧通過(guò)，橋隧比例占線路全長(zhǎng)97.53%，路基工程僅占2.47%。

2 線路通過(guò)區(qū)濕陷性黃土的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

寶蘭客運(yùn)專線寶雞至天水段主要位于西秦嶺北麓中低山區(qū)，濕陷性黃土呈零星分布，對(duì)基底影響較??；天水至蘭州段為天禮盆地低山丘陵區(qū)及黃土梁峁溝壑區(qū)，從區(qū)域地貌上屬于隴西地區(qū)[2]，為我國(guó)自重濕陷性黃土分布最強(qiáng)的地區(qū)，多年來(lái)重大工程多處于河谷或階地上，在黃土梁峁區(qū)中部上部鮮有重大建筑物，而寶蘭客運(yùn)專線由于線路等級(jí)高，曲線半徑較大(線路最小曲率半徑為4 500 m)，線路不可避免處于黃土梁峁區(qū)中、上部，導(dǎo)致隧道進(jìn)出口、橋梁墩臺(tái)及路基工程多處于黃土分布較厚、濕陷等級(jí)較高的塬梁及斜坡部位，路基基底處理困難，因此，如何準(zhǔn)確查明工程所屬區(qū)域濕陷性黃土的分布規(guī)律及物理力學(xué)指標(biāo)，控制基底沉降成為勘察和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3 濕陷性黃土的判定及地區(qū)分布規(guī)律

3.1 濕陷性黃土的常規(guī)判定方法

所謂濕陷性黃土，指的是在一定壓力之下受水浸濕，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉的黃土。對(duì)于濕陷性黃土的判定主要有室內(nèi)壓縮試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)靜力荷載試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)載荷試坑浸水試驗(yàn)法。在外業(yè)勘測(cè)前期工作中主要采用室內(nèi)試驗(yàn)法結(jié)合計(jì)算判定黃土的濕陷土層厚度、濕陷量及濕陷等級(jí)等試驗(yàn)參數(shù)。室內(nèi)試驗(yàn)法是目前應(yīng)用較為廣泛，且較為成熟的一種試驗(yàn)方法。主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，在符合一定條件下于室內(nèi)通過(guò)測(cè)定黃土的濕陷系數(shù)δS、自重濕陷系數(shù)δZS，和濕陷起始?jí)毫sh，并采用如下公式計(jì)算出黃土的ΔS和ΔZS：

結(jié)合濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范表4.4.7即可判斷出黃土的濕陷等級(jí)及類型[2]。

3.2寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土的地區(qū)分布規(guī)律(圖1)

由于寶蘭客運(yùn)專線線路長(zhǎng)，跨越的微地貌單元較多，濕陷性黃土厚度差別較大，所屬不同成因、時(shí)代黃土的濕陷土層厚度、濕陷等級(jí)差異較大，根據(jù)不同地貌單元、不同時(shí)代的黃土分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果顯示(表1、表2)，第四系上更新統(tǒng)黃土的濕陷土層厚度較全新統(tǒng)層黃土要厚，相應(yīng)的濕陷等級(jí)也要高一些，且地區(qū)間差異也較大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果顯示，最大濕陷性黃土層厚度可達(dá)30 m，給基底處理帶來(lái)較大困難。

圖1 寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土厚度分布

在同一地區(qū)不同的地貌單元及不同成因時(shí)代的黃土濕陷等級(jí)差別較大。通過(guò)勘察發(fā)現(xiàn)，寶蘭客運(yùn)專線沿線黃土濕陷等級(jí)均較鄭西客運(yùn)專線要高，鄭西客運(yùn)專線濕陷性等級(jí)一般以Ⅰ～Ⅱ級(jí)為主，局部為Ⅲ～Ⅳ級(jí)(表3)，而寶蘭客運(yùn)專線在黃土梁峁區(qū)及高階地上黃土濕陷等級(jí)多以Ⅳ級(jí)為主。且沿線高階地黃土濕陷土層厚度較低階地厚，梁峁區(qū)黃土濕陷土層最厚，與此同時(shí)，在黃土梁峁區(qū)邊緣斜坡地段由于季節(jié)性降雨的侵蝕作用，極易產(chǎn)生黃土滑坡、錯(cuò)落及溜坍，同時(shí)黃土陷穴極為發(fā)育，對(duì)工程的影響越大。

表1 黃土梁峁區(qū)黃土濕陷厚度統(tǒng)計(jì)

表2 階地區(qū)黃土濕陷厚度統(tǒng)計(jì)

表3 鄭西客運(yùn)專線黃土濕陷性等級(jí)[3]

3.3深厚層濕陷性黃土的土力學(xué)指標(biāo)隨深度變化規(guī)律分析

根據(jù)寶蘭客運(yùn)專線全線濕陷性黃土的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合蘭州地區(qū)以往濕陷性黃土的研究成果，發(fā)現(xiàn)黃土濕陷性系數(shù)及各類物理力學(xué)參數(shù)隨深度差異性變化顯著，如濕陷性黃土的孔隙比，上部砂質(zhì)黃土的孔隙比明顯大于下部，一般馬蘭黃土的孔隙比大于1.0，最大可達(dá)1.2[4]，梁峁區(qū)黃土濕陷性隨深度變化趨勢(shì)明顯，一般在15～20 m以內(nèi)濕陷性隨深度遞減，超過(guò)20 m以后，濕陷性系數(shù)急劇下降，直至小于0.015(圖2，圖3)。

圖2 黃土梁峁區(qū)(天水)濕陷系數(shù)隨深度變化曲線

圖3 靜力觸探實(shí)測(cè)黃土梁峁區(qū)(天水)基本承載力隨深度變化曲線

4 客運(yùn)專線深厚層濕陷性黃土區(qū)地基處理技術(shù)

由于寶蘭客運(yùn)專線隧道進(jìn)出口多位于黃土梁峁區(qū)斜坡部位，而路基工程處于橋隧之間，長(zhǎng)度在10～20 m的短路基工程較多，橋隧過(guò)渡段基底沉降處理困難。高速鐵路無(wú)砟軌道路基竣工運(yùn)營(yíng)后若發(fā)生基底沉降，只能依靠扣件的調(diào)高能力使鋼軌向上抬高，使軌面保持平順，但扣件的抬高量是相當(dāng)有限的。為此，要求路基的工后沉降量不得超過(guò)15 mm，這樣的工后沉降與有砟軌道和其他工程的要求相比可以趨于零[5]，因此在施工中不得不采用各種加固措施來(lái)對(duì)隧道進(jìn)出口及路基基底濕陷性黃土進(jìn)行處理，以保證基底工后沉降滿足設(shè)計(jì)要求。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于濕陷性黃土地基處理較為成熟的方法主要有：碾壓、換填、強(qiáng)夯、動(dòng)力/振動(dòng)擠密樁、靜力擠密(預(yù)制)樁、CFG樁、注漿、高壓注漿、高壓旋噴樁等[6]；寶蘭客運(yùn)專線在借鑒既有鄭西客運(yùn)專線成功經(jīng)驗(yàn)上，對(duì)大厚度濕陷性黃土地基設(shè)計(jì)中采用復(fù)合地基方式進(jìn)行處理。

由于寶蘭客運(yùn)專線所屬地形地質(zhì)條件復(fù)雜，工程所屬濕陷性黃土厚度差異性較大，濕陷等級(jí)從Ⅰ～Ⅳ級(jí)均存在，基底處理方式復(fù)雜，因此基底處理方式與濕陷土層厚度、濕陷等級(jí)有緊密聯(lián)系，其主要處理方式見表4。

表4 寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土地基處理方式

4.1 濕陷性黃土隧道基底處理

隧道工程一般位于具有一定埋深的濕陷性黃土地基上，除隧道基底以上黃土具有濕陷性外，基底部分黃土仍可能具有一定濕陷性，但影響隧道基底沉降的濕陷變形量主要來(lái)自于下伏濕陷性黃土的濕陷變形量。上覆黃土的濕陷變形發(fā)生主要是改變作用于隧道的圍巖壓力，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)足以抵抗上覆黃土自重時(shí)，不會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成危害[7]。

針對(duì)寶蘭客運(yùn)專線深厚層濕陷性黃土不同厚度、不同工程類型采用不同的處理方式。而對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)，防治或減少隧道基底濕陷的措施，可以分為基底處理措施、防水及結(jié)構(gòu)措施。對(duì)于明挖段隧道基底的處理可以采用與路基類似的處理方法[8]，如渭河隧道進(jìn)口，黃土層厚度約30～35 m，其中濕陷性黃土厚度為25～30 m，底部為上第三系泥巖，為了能夠徹底消除基底黃土濕陷性，對(duì)隧道明洞段基底主要采用水泥土擠密樁、鋼筋混凝土鉆孔樁[9]及長(zhǎng)短樁(即CFG樁+水泥土擠密樁)進(jìn)行處理[10](圖4及圖5)，并將基礎(chǔ)置于泥巖一定深度中，同時(shí)做好地表的防排水工作，避免基底浸泡。

圖4 渭河隧道進(jìn)口濕陷性黃土地基處理

圖5 渭河隧道進(jìn)口濕陷性黃土地基處理縱斷面(單位：m)

而對(duì)于暗挖段隧道來(lái)說(shuō)，在濕陷性黃土基底未處理之前，無(wú)法施作仰拱和二次襯砌。因此，寶蘭客運(yùn)專線在基于既有鄭西客運(yùn)專線經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，結(jié)合寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土的實(shí)際情況，原則上采用如下處理方式：(1)CFG樁/砂樁或水泥樁，濕陷土層厚度大于20 m時(shí)候采用；(2)水泥土或灰土擠密樁，濕陷土層厚度10～20 m時(shí)候采用；(3)旋噴樁或粉噴樁，一般在厚度約5～10 m時(shí)采用；(4)強(qiáng)夯法或換填法，厚度3～8 m時(shí)采用。但對(duì)于暗挖隧道來(lái)說(shuō)，由于黃土隧道進(jìn)出口段一般為Ⅴ級(jí)圍巖，無(wú)論采用何種處理方式，對(duì)隧道施工影響均較大，施工中容易引起邊坡失穩(wěn)，因此在基底處理中一般采用易于操作的施工方式進(jìn)行處理[11]。

4.2 濕陷性黃土路基基底處理

由于寶蘭客運(yùn)專線黃土濕陷土層厚，濕陷等級(jí)高，對(duì)于基底的深厚層濕陷性黃土地基處理主要采用復(fù)合地基方式進(jìn)行處理。寶蘭客運(yùn)專線對(duì)于濕陷性黃土地基一般采用如下方式進(jìn)行處理:(1)濕陷厚度為小于3 m地段，采用挖除換填土+CFG樁進(jìn)行處理;(2)當(dāng)濕陷厚度大于3 m時(shí)，采用長(zhǎng)短樁復(fù)合地基處理措施：短樁采用水泥土擠密樁，長(zhǎng)樁采用CFG樁。擠密樁要根據(jù)地基土的含水量、飽和度可采用沉管成孔、長(zhǎng)螺旋鉆或洛陽(yáng)鏟成孔，飽和度較大地段要避免采用沉管成孔，且地下水位附近的樁身材料要使用干性混凝土，CFG樁采用長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料成樁施工;(3)樁板結(jié)構(gòu)，為保證剛度一致，橋與橋、橋與隧及隧與隧之間短于150 m的路基采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，黃土地層較厚，且上部濕陷性厚度大于20 m，路基工后沉降難以控制的地段，采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理；對(duì)于深厚層濕陷性黃土路基來(lái)說(shuō)，主要采用的還是樁板結(jié)構(gòu)和柱錘擴(kuò)充樁。對(duì)于車站采用寬大樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。而且處理深度較鄭西客運(yùn)專線[12]深，以蘭州西站為例，考慮到濕陷性黃土層厚度為10～30 m，最大樁長(zhǎng)可達(dá)15～45 m(圖6)。

圖6 蘭州西站地基處理示意

5 結(jié)語(yǔ)

綜合分析來(lái)看，寶蘭客運(yùn)專線沿線濕陷性黃土無(wú)論分布范圍、濕陷土層厚度均較厚，局部地段濕陷性黃土厚度超過(guò)20 m，屬于隴西黃土梁峁區(qū)深厚層濕陷性黃土分布區(qū)。

(1)對(duì)于濕陷性黃土地區(qū)的工程地質(zhì)勘察工作，應(yīng)重點(diǎn)查明濕陷性黃土土層厚度等試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)于難以查明的厚層濕陷性黃土，應(yīng)開展專門的地質(zhì)勘察工作，必要時(shí)采用機(jī)械挖探，避免取樣過(guò)程中對(duì)土樣的擾動(dòng)，同時(shí)可結(jié)合靜力觸探資料進(jìn)行綜合分析。

(2)寶蘭客運(yùn)專線濕陷性黃土分布規(guī)律地貌差異性較大，黃土梁峁區(qū)較階地區(qū)濕陷性黃土厚度大，階地區(qū)較河谷區(qū)濕陷性黃土厚度大，相應(yīng)的，濕陷性等級(jí)也相應(yīng)較高，對(duì)于黃土梁峁區(qū)斜坡部位黃土基底處理難度也相對(duì)較大。

(3)對(duì)于基底存在濕陷性黃土隧道工程來(lái)說(shuō)，如何選擇合理、經(jīng)濟(jì)，對(duì)隧道洞口振動(dòng)較小且可行的設(shè)計(jì)和施工方案對(duì)于暗挖段隧道工程基底處理至關(guān)重要，由于隧道工程施工空間的限制，盲目選用基底沉降最優(yōu)方案并不一定是科學(xué)的，應(yīng)結(jié)合洞口坡面實(shí)際情況綜合分析，否則極有可能導(dǎo)致整個(gè)隧道口坡面失穩(wěn)。

(4)對(duì)基底濕陷性黃土的處理方式，應(yīng)結(jié)合濕陷土層厚度、工程類型、地形地貌綜合考慮來(lái)進(jìn)行處理。對(duì)地基處理方式的選擇，應(yīng)考慮施工現(xiàn)狀、工期、場(chǎng)地條件、經(jīng)濟(jì)性等因素，并分析施工中可能會(huì)遇到的問(wèn)題，最終選擇安全、可靠、經(jīng)濟(jì)合理并易于實(shí)施的方案。

[1] 張哲，付偉.寶蘭客運(yùn)專線黃土陷(暗)穴專題地質(zhì)報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012．

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50025—2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

[3] 王小軍，米維軍，熊治文，等.鄭西客運(yùn)專線黃土地基濕陷性現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012(1)：83-90．

[4] 李寶雄，牛永紅，苗天德.蘭州馬蘭黃土的水敏感特性[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007(2)：294-298．

[5] 王應(yīng)銘，李肖倫.鄭西客運(yùn)專線陜西段路基濕陷性黃土地基處理簡(jiǎn)介[J].巖土力學(xué)， 2009，30(S2)：283-286．

[6] 王新東.鄭西鐵路客運(yùn)專線濕陷性黃土隧道基底處理技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(S1):90-92．

[7] 邵生俊，等.濕陷性黃土隧道的工程性質(zhì)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003(9):1580-1590．

[8] 趙勇，李國(guó)良，喻渝.黃土隧道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011．

[9] 李寧，朱運(yùn)明，謝定義，等.大斷面飽和黃土隧道成洞研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000(11):639-642．

[10] 梁小勇，扈世民，張春會(huì).深埋大斷面黃土隧道圍巖失穩(wěn)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013(10)：559-563．

[11] 蘇謙，劉昌清，李安洪，羅照新.鄭西客運(yùn)專線深厚濕陷黃土地基DDC樁法分析及沉降計(jì)算研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(5):23-25．

[12] 陳佩寒，王寧，趙華鋒.鄭西客運(yùn)專線張茅隧道施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(3):80-83.

Distribution Rules of Collapsible Loess and Analysis on Foundation Treatment Technology on Baoji-Lanzhou Passenger Dedicated Line

Fu Wei

(The First Railway Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

The passenger dedicated line from Baoji to Lanzhou is the first high speed line in Western part of Gansu Province with deep and thick layer of collapsible loess. In view of collapsible thickness and high grade collapsible loess， it is very important to find out the distribution rules of collapsible loess to control basement subsidence. To understand and analyze the distribution rules along the line， detailed geological survey is carried out with combination of deep test pits， drilling and static contact investigation. Detail treatment of collapsible loess is also discussed with reference to the experiences on Zhenxi passenger dedicated line.

Baoji～Lanzhou passenger dedicated line; Loess; Distribution rule; Foundation treatment; Collapsible grade

2014-01-20；

：2014-02-24

鐵道部重點(diǎn)攻堅(jiān)課題(2010G018-B-4)

付 偉(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，

E-mail：89687836@qq.com。

1004-2954(2014)11-0015-05

U238； U213.1+4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.004