隴東地區早勝塬古土壤膨脹特性研究

常帥斌 陳 明 張虎元 朱江鴻

(1.中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西西安 710021；2.蘭州大學土木工程與力學學院 甘肅蘭州 730000；3.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室 甘肅蘭州 730000)

1 引言

改革開放以來，在東部沿海地區已經發展非常迅速的情況下，國家開始更多地關注西部內陸地區的發展。“要想富，先修路”，進一步推動西部經濟發展的手段之一就是修建高速鐵路。高速鐵路建設涉及眾多的先進技術，遍及各種高新技術領域，需要大量的科技攻關，能夠大大促進建筑業、材料化學工業、機械行業、IT行業、電子通訊行業等相關產業技術的發展，同時也將明顯擴大和拓寬人們的生活半徑和活動范圍，帶來更多的商機，使企業可以有更好的發展，給高鐵途經地區的經濟帶來增長[1]。由于經濟發展的需要以及“一帶一路”的經濟貿易以及文化交流合作的需求，西部地區的高鐵建設來到了蓬勃向上的發展時期。黃土在西部地區分布范圍廣泛，經過西北的高鐵不可避免地要穿越黃土地區，因此在黃土地區建設隧道的工程也開始變得多起來，比如現在已經建成的西安至太原、西安至蘭州的高鐵，以及正在建設的西安至銀川的高鐵，都以橋梁和隧道相結合的形式跨越了廣大的黃土地區。

新建銀西高鐵自西安起向西北方向延伸至銀川，途徑寧夏、甘肅、陜西三省，設計時速為250 km，預計將于2020年底開通。全線通車后從西安出發乘坐高鐵到達銀川將只需要3 h，相比于現在乘坐火車的方式縮短了10 h。銀西高鐵連接了關天經濟區、隴東地區和沿黃城市帶這三個經濟帶，在我國的鐵路路網中具有極其重要的地位。銀西高鐵的修建將顯著改善銀川對外開放條件，增加西安發展的戰略縱深，使得陜甘寧的經濟發展聯系更加緊密。銀西高鐵甘寧段受地形所限及站位控制的原因，隧道在橫跨慶陽市轄四縣區時將穿越黃土塬區古土壤層，比如董志塬和早勝塬。

在黃土高原地區許多大型黃土沉積盆地中，有著一座座由厚層黃土堆積而成的平坦的高地。因為這種高地邊緣陡峻，腹部平坦，像極了一塊小小的“高原”，所以被當地人民形象地稱作“黃土塬”[2]。黃土和古土壤組成了黃土塬的主要部分，其中黃土代表著干冷氣候下的沉積，為大孔隙粉土，而古土壤則表明了沉積環境相對溫暖和濕潤，為棕紅色黏土，古代氣候的多次波動使得二者重疊出現。在粒度成分、礦物和化學成分上，二者物質組成差異顯著，在微觀結構等方面的差異則更為明顯[3]。這二者截然不同的工程性質為隧道的開挖、施工和運營增添了難度。同時，古土壤有自己完整的發育剖面，聚集大量碳酸鈣并膠結成形態多樣的鈣質結核層，含有較高的黏土礦物，具有遇水膨脹、崩解等不良性質。在開挖隧道時可能會產生開裂、內鼓、坍塌和膨脹等變形現象[4]，這導致了古土壤隧道在施工運營期間存在襯砌開裂、圍巖膨脹突出、土體坍塌和隧道底部上拱等病害風險。

關于古土壤的研究有很多，劉秀銘等[5]通過對古土壤磁化率的分析，研究了氣候變化對古土壤中磁化物的影響；石培宏等[6]研究了古土壤的色度變化，得出了古土壤的紅度主要與土壤中的赤鐵礦質量分數有關的結論，赤鐵礦質量分數越高古土壤的顏色會顯得越紅；曹春山等[7]研究了古土壤的力學特性；喬彥松等[8]則研究了古土壤的粒度特征。

關于土的膨脹性的研究也有不少，比如張同娟等[9]和王益等[10]都對影響黃土膨脹性的因素進行了研究；曾娟娟等[11]則得出了在初始含水率一定時，增大土壤的干密度會增大膨脹土的無荷膨脹率或為膨脹土積蓄更多的膨脹潛勢，在初始干密度一定時，增大土壤的含水率能有效地減少膨脹土的無荷膨脹率的結論。

盡管前人對古土壤的部分性質和膨脹土的膨脹性質有了一定的研究，卻很少有涉及古土壤的膨脹性的研究。早勝一號和三號隧道作為我國首條穿越黃土塬區古土壤層的隧道，由于之前缺乏對古土壤膨脹性的相關研究和工程經驗，在設計施工中沒有考慮到古土壤的膨脹性而是將其當作黃土進行看待，而實際上黃土與古土壤膨脹性的差異是巨大的，這將在未來的施工以及使用中對隧道產生安全隱患。所以本文以早勝一號和三號隧道為研究背景，通過相關試驗來得到早勝塬古土壤的膨脹性以及影響其膨脹性的其他相關數據，來為隧道的設計和施工中對古土壤地基承載力的計算和穩定性的驗算提供一定的依據。

2 早勝塬工程地質條件

2.1 地理位置及工程地質條件

早勝塬位于甘肅省慶陽市寧縣早勝鎮。早勝鎮距離寧縣縣城約18 km，交通便利。鎮內人民生活富足，商業貿易發達，自古以來就是隴東地區的商業重鎮，有著“商賈輻輳之地”的美譽。

早勝塬位于陜甘寧臺坳西南部，表層覆蓋著深厚的黃土，下伏產狀近水平且褶皺和斷裂不發育的新近系紅黏土[12]。銀西鐵路線路經過的地層有第四系全新統滑塌錯落的堆積層、洪積層，上、中更新統風積黃土和上新近系上新統紅黏土。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)[13]判斷該地區的抗震設防基本烈度為6度。隧道區地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水，主要分布于黃土塬上部。主要含水層為巖性顆粒較粗、結構疏松、孔隙率高的中更新統黃土。

2.1.1 早勝一號隧道

早勝一號隧道位于甘肅省慶陽市寧縣下轄的宮河鎮以及榆林子鎮境內，穿過黃土溝壑區，地面高程1 030～1 250 m。隧道通過區域地勢東北高西南低，周邊溝壑較多且相間錯落分布，邊緣位置破碎程度較高，其中的沖溝下切程度較深，大多呈現“V”字形，同時兩岸邊坡高而陡，有發生滑坡、溜坍和黃土陷穴等地質災害的風險。早勝一號隧道最大埋深約205 m，最小埋深56 m。隧道起訖里程DK170＋717.85～DK180＋627.66，全長9 909.81 m，為雙線單洞隧道。整座隧道為4.60‰/9 909.81 m的單面上坡。西安端左線DK170＋907.214～DK172＋934.457段2 027.243 m位于R7 000 m的左偏曲線上，銀川端左線271.335 m位于R9 000 m的右偏曲線上，其余均位于直線上。

2.1.2 早勝三號隧道

早勝三號隧道位于甘肅省慶陽市寧縣下轄的平子鎮、良平鄉和早勝鎮境內，為銀西鐵路控制性工程。早勝三號隧道穿過黃土溝壑區，地面高程995～1 250 m。隧道通過區域地勢北高南低，周圍溝梁較多且相間錯落分布，其中的沖溝下切較深，大多呈現“V”字形，同時兩岸邊坡高而陡，有發生滑坡、溜坍和黃土陷穴等地質災害的風險。早勝三號隧道最大埋深約210 m，最小埋深約10 m。隧道起訖里程DK182＋493～DK193＋665，總長11 171.38 m，為雙線單洞隧道，是我國最長的黃土古土壤隧道。整座隧道除進口6.38 m為12‰的上坡外，其余依次為-20‰、-3‰的下坡，進口1 372.79 m位于R9 000的右片曲線上，出口3 030.402 m位于R10 000 m的右偏曲線上，其余均位于直線上。

2.2 第四紀地層劃分

早勝塬的第四紀黃土地層主要可劃分為4層:早更新世午城黃土、中更新世離石黃土、晚更新世馬蘭黃土和全新世黃土堆積。其中中更新世離石黃土由多層灰黃色厚層黃土和發育好的紅褐色古土壤組成，鈣質結核常見于古土壤層的底部[14]。早勝塬中更新世離石黃土地層中的古土壤是本文中取樣并研究膨脹特性的對象。

3 古土壤的物理性質

古土壤的基本物理性質決定了其膨脹性質，同時測出土的基本物理性指標也是進行下一步試驗的先決條件，根據《水利水電工程巖石試驗規程》(SL 264-2001)[15]先列舉古土壤的基本物理性質并進行評價分析。

3.1 取樣位置和取樣方法

此次勘察在對銀西高鐵黃土塬區早勝一號隧道和早勝三號隧道進行系統調查的基礎上，根據施工進度和研究內容進行了系統的取樣及試驗工作。取樣點主要布置在早勝一號隧道、早勝三號隧道(包含斜井)的開挖斷面上(見圖1)，共計38組。對試樣進行編號(1～38)后，進行試驗并得出相應結果(見表1)。由于編號為16，17和38的試樣經試驗并分析結果數據后，發現取得試樣為黃土而并非古土壤，所以在之后的試驗數據中并不展示。

圖1 取樣現場

表1 古土壤物理和膨脹特性

3.2 含水率和干密度

含水率和干密度數據如表1所示，其中早勝一號隧道和早勝三號隧道圍巖的含水率在15.59%到17.93%之間，并且在所取斷面土樣中只有早勝三號隧道1＃斜井(銀川方向)一個斷面的含水率大于17%。同一橫斷面，上中下臺階的含水率差值不超過1%，在隧道高度范圍內，圍巖古土壤含水情況沒有太大的變化。上述規律表明，這兩個隧道穿過區域的圍巖含水率在不同地方存在差異，但相差很小，說明圍巖古土壤在該區域的含水率均一。而且這兩個隧道的圍巖的干密度在1.68 g/cm3到1.86 g/cm3之間。并且圍巖的干密度基本上在1.8 g/cm3以上，只有少數幾個值較小，說明圍巖古土壤在該區域的干密度均一且巖體結實穩定，具備承載高鐵隧道通過的能力。可以得知在早勝塬地區，含水率和干密度對不同地點古土壤膨脹性的變化影響較小，在對古土壤地基承載力的計算和穩定性的驗算中，可以將含水率和干密度看作相對均一的水平。

3.3 礦物成分

土壤中所含有的黏土礦物以及白云石等成分給予了土壤遇水可以吸水膨脹的特性，從而這些礦物成分的所含比例也就決定了一種土壤的膨脹特性，所以礦物成分在土壤膨脹性評估中起到決定性的作用。于是設計試驗來研究早勝塬古土壤礦物成分。

試驗方法采用X射線衍射分析法。試驗前先處理土樣，將各標段取得的古土壤樣品用研缽研磨，一邊研磨一邊用手搓捏土樣，直至手指感覺不到顆粒感為止。再在支架的凹槽中放入研磨好的土樣，用玻璃片將其壓緊實，當土樣表面被按壓的平整均一時才可進行試驗。最后按取樣地點對壓制好的土樣貼上編號，上機進行物質成分分析，得出結果。

試驗使用的X'Pert Pro MPD型粉末X射線衍射儀為荷蘭帕納科公司所生產，用來對經過前期處理的古土壤樣品進行礦物成分分析。

X射線衍射試驗結果(見表1)表明，早勝塬古土壤主要礦物的類型、含量在早勝一號和三號隧道通過的區域內差別不大。其中，含量最多的礦物是石英(43% ～57%)，其次是云母(13% ～18%)、長石(5% ～15%，其中包括鈉長石1% ～4%，鉀長石4% ～11%)和蒙脫石(11% ～13%)，含量最少的是白云石(1% ～6%)。其中在強膨脹土中含量較高的白云石和黏土礦物在早勝塬古土壤中含量卻較低，說明早勝塬古土壤并不具備強烈的膨脹性。

4 古土壤的膨脹特性

在古土壤膨脹性的研究上，借鑒了前人對膨脹土的研究方法，比如張穎鈞等對云臺山隧道膨脹巖的膨脹特性研究[16]，張連杰等對原狀膨脹土的無荷膨脹率的試驗分析[17]，以及張雪東等對肯尼亞蒙巴薩地區膨脹土膨脹特性試驗研究[18]，設計了自己的試驗。

4.1 自由膨脹率

自由膨脹率可用來定性地判別膨脹巖土以及其膨脹勢，是評估土壤膨脹性的重要參數，因此設計了自由膨脹率試驗來研究早勝塬古土壤的膨脹特性。

如表1所示，早勝一號隧道和早勝三號隧道的圍巖古土壤的自由膨脹率基本在40%～65%之間，按照《膨脹土地區建筑技術規范》(GB 50112-2013)[19]對早勝塬古土壤的膨脹潛勢進行判斷，可以得出古土壤的膨脹潛勢總體為弱的結論。雖然古土壤這種弱膨脹土不及一些地區的強膨脹土對隧道的危害性大，但若隧道出現明顯滲水、股水，使圍巖含水量增加，也易導致圍巖吸水膨脹，產生襯砌開裂、圍巖膨脹突出、巖體坍塌以及隧道底部上拱等病害風險，不容小覷，在設計與施工中也當予以足夠的重視程度，保證隧道建設的安全平穩進行。

4.2 無荷膨脹率

膨脹率可用來評價地基的脹縮等級，計算膨脹土地基的變形量以及測定膨脹土的膨脹力，也是評估土壤膨脹性的重要參數，因此設計了無荷膨脹率試驗來研究早勝塬古土壤的膨脹特性。

本次研究了共38組試樣的膨脹特性，取早勝一號隧道的一個代表性斷面的膨脹特性，如圖2a所示；取早勝三號隧道的一個代表性斷面的膨脹特性，如圖2b所示。

圖2 無荷載膨脹率與時間關系曲線

如圖2所示，早勝一號和三號隧道的圍巖古土壤的無荷膨脹率是伴隨著時間的推移漸漸增長的，在1 000～1 250 min左右趨于穩定。而且每個標段所取的土樣的δt-t關系曲線都有著相似度很高的規律性。根據這一規律，可以大致將古土壤的膨脹變形這一過程劃分成3個階段:

(1)等速膨脹變形階段。這一階段內古土壤的膨脹變形速率為三個階段中最大的。從圖2可以看出古土壤的膨脹曲線斜率極大且基本保持不變，最初曲線以接近垂直的方向上升后稍稍減緩以類似斜直線的方式上升。雖然這一階段持續時間是三個階段中最為短暫的，但該變形階段的膨脹變形量卻為三個階段中最大，能占到最終膨脹量的70% ～90%，可以說古土壤試樣絕大部分的吸水膨脹變形都是在這個階段完成的。等速膨脹變形階段是古土壤膨脹變形發生的主要階段，該階段的所產生的膨脹變形很有可能導致隧道圍巖的膨脹突出、土體坍塌、襯砌開裂以及隧道底部上拱等病害風險，因此在施工和運營過程中一定要注意滲水，防止古土壤吸水膨脹對隧道造成危害。

(2)減速膨脹變形階段。這一階段內古土壤的膨脹速率開始逐漸變小，無荷膨脹率與時間關系曲線的上升速度開始下降，膨脹曲線呈現出向外部凸起的形狀，斜率由極大漸漸轉向極小。此時古土壤試樣中的孔隙漸漸被其所吸收的水分填滿，試樣吸水速率開始有明顯下降，膨脹變形逐漸變得緩慢，但還是產生了一定的膨脹變形，大約能占到最終膨脹量的5%～20%，因此在防治古土壤膨脹造成的危害時，不可疏漏這一階段。

(3)穩定膨脹變形階段。這一階段的膨脹變形速率為三個階段中最低，無荷膨脹率與時間關系曲線已接近水平，膨脹曲線斜率幾乎等于0。隨著時間的進一步推移，古土壤試樣的膨脹變形趨于穩定，該階段的膨脹變形量是三個階段中最少的，普遍占最終膨脹量的不到5%。此時古土壤吸水膨脹已經接近于穩定，膨脹變形量越來越小直至幾乎不再發生變化，僅有極其微小的并無法明顯測試出的增加，可以視作不再有進一步膨脹的能力。

總體看來，除去極個別的幾個點，早勝一號和三號隧道的圍巖古土壤的最大膨脹率集中在4%～6%，不同取樣地點的古土壤膨脹性近似一致且總體膨脹率不高，沒有因為區域變化而產生太大的變化，在設計和施工中可以視作膨脹性相同的弱膨脹土。雖然可以視作相對安全，但在設計與施工中也當予以適當的重視，保證隧道的建設能夠安全平穩進行，尤其應當注意古土壤膨脹變形三個階段各自的特性，積極地預防可能發生的病害，并在病害的早期及時進行處理。

5 結論

早勝塬中早勝一號和三號隧道的圍巖古土壤含水率均一，干密度均一且圍巖結實穩定，物質成分穩定且黏土礦物含量不高，自由膨脹率普遍較低且膨脹潛勢總體為弱，無荷膨脹率與時間關系曲線有著明顯的規律性可循，在建筑工程中可以視作一種弱膨脹性土。

(1)早勝一號和三號隧道的圍巖古土壤的含水率和干密度基本保持均一，含水率在15.59% ～17.93%之間，干密度基本上在1.8 g/cm3以上，說明巖體結實穩定，在隧道修建過程中屬于比較可靠的圍巖土體。

(2)早勝一號和三號隧道的圍巖古土壤的礦物成分中白云石和黏土礦物含量較低，且圍巖古土壤的自由膨脹率基本在40%～65%之間，膨脹潛勢普遍為弱，說明古土壤具有弱膨脹性。施工以及隧道運營中應注意隧道的防水工作，防范可能因古土壤吸水膨脹而發生的襯砌開裂、圍巖膨脹突出、土體坍塌以及隧道底部上拱等病害風險。

(3)早勝一號和三號隧道的圍巖古土壤的膨脹變形可大致分為等速膨脹、減速膨脹和穩定膨脹三個階段。其中70%～90%的膨脹變形發生在等速膨脹變形階段，而減速膨脹變形階段發生的變形約占最終膨脹量的5% ～20%，工程上應當注意古土壤這一膨脹特性，積極地預防可能發生的病害，并在病害的早期及時進行處理。

(4)干密度相近的土樣，其中含水率較高的土樣的自由膨脹率普遍小于含水率較低，含水率相近的土樣，其中干密度較高的土樣普遍具有更高的膨脹潛勢，印證了前人通過試驗總結的規律。