周家莊貨聯線九合隧道穿越污染土地區防治措施研究

齊紅云、賈淇淇

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州西工務段，甘肅蘭州 730000）

0 引言

特殊地質是影響隧道工程施工建設的主要因素，近年來，公路項目中的隧道工程逐漸增多，對隧道工程施工技術也提出更高要求。特殊地質的種類較多，無論是硬巖地質環境還是受污染較為嚴重的地質環境，在隧道工程施工中都很容易引發工程安全問題。為保證隧道工程施工過程的安全性，提升建設質量，需要結合各類隧道工程案例，總結相關經驗，加強對各種特殊施工建設環境的處理和防治。

1 受污染土壤環境對隧道工程的影響

由于隧道工程建設中會遇到各種復雜的地質和地形環境，隧道工程現場周圍的特殊地形環境，以及天氣因素等，均會在一定程度上增加施工難度[1]。以受污染土壤環境為例，從本質上來說其屬于復雜地質環境的一種。在施工現場土壤環境受到污染的情況下，不僅工程現場的地下水會受到污染，土壤環境的穩定性也會遭到破壞，這會增加隧道施工過程中坍塌等安全問題的發生概率。具體而言，受污染土地區對隧道工程施工建設的影響，主要源自各種固體廢棄物。而固體廢棄物中又以煉油廢渣對土壤環境造成的破壞最為嚴重。煉油廢渣被排放到土壤中，重金屬及硫化物等物質的遷移會導致土地酸化、堿化[2]。在此情況下，土壤的抗壓強度也會逐漸降低，進而威脅隧道工程結構的穩定性。

2 隧道工程穿越污染土地區防治措施分析

若隧道工程穿越污染土地區，需要采取相應的防治措施，這樣才能保證隧道支撐結構的質量，以及隧道工程的整體施工效果[3]。基于這一目的，結合周家莊貨聯線九合隧道工程案例，探討相應的防治措施。

2.1 工程概況

周家莊貨聯線九合隧道為典型的雙線隧道工程，最大埋深106m。在現場施工開挖里程至HK6+411處，洞內出現刺鼻異味，經進一步現場地質勘查發現，該區段土質環境中的基巖雖然比較完整，但巖面較為潮濕，持續施工一段時間后發現巖面有持續散發異味氣體及少量滲水情況。為了降低隧道工程施工難度，在實際施工中轉為明挖。施工完成后發現，具有刺鼻異味的區段以往是用作危險廢物的填埋場。

結合工程現場以往的勘查資料了解到，該區段曾為工業棄渣場，主要用于填埋石化企業生產經營過程中產生的各類廢酸、廢堿、污水處理廠的隔油池沉淀、浮選池浮渣、活性污泥、廢白土及廢催化劑等渣液，廢棄物主要成分為硫酸，其中還有少量油類等。細致勘查現場土壤環境條件后發現，施工現場地表河流的上游主要為雨水沖積形成的淤泥，對淤泥樣品進行檢測后發現，其中含有煉油產生的廢棄物。經相關人員鑒定，這些廢渣和廢棄物為危險廢物，具有明顯的腐蝕性和刺激性氣味。土壤環境中檢測出的鉛、鉻、鎘等元素，如果遇到高溫、水、酸等，會呈現出明顯的流動性和滲透性。如果在施工中未對此情況加以重視，會對參與此段施工的相關人員產生健康危害。

2.2 固體廢棄物的處理方法

2.2.1 固體廢棄物固化技術處理原理

結合周家莊貨聯線九合隧道工程現場的實際情況，為驗證煉油廢渣這一固體廢棄物對土壤環境以及隧道工程施工建設產生的影響，可以基于固體廢棄物固化技術處理原理，對煉油廢渣污染土進行試驗檢測。當前的固化技術處理能夠基于處置放射性污泥和蒸發濃縮液的方式，對電鍍污泥鉻渣等化學組分較為復雜的危險廢物進行處理[3]。但要想有效發揮該技術的作用，一方面要保證技術應用的規范性，另一方面要有效控制處理過程中的毒性浸出率。

固體廢棄物尤其是煉油廢渣對土壤環境造成的影響，主要體現在土壤抗壓強度的變化上。在土壤本身的固化體破損的情況下，融入土壤環境中的固體廢棄物表面積會增大。當前我國對土壤固化處理的抗壓強度標準，以土壤最大密度的90%～95%為標準[4]。其中還涉及變化因素這一概念，通常用以下公式來表示固體廢棄物的體積變化因數：

式（1）中：V1為固化前危險廢棄物的體積；V2為危險廢棄物固化后固化體的體積。

基于以上原理，以同類型的石灰為固化劑的主要成分，以石灰與土體之間的各類元素發生化學反應的方式，讓反應的生成物能夠結合在一起，同時與土體顆粒結合成為共晶體，以此達到提高石灰土水穩定性的目的，同時提升石灰土的強度。

2.2.2 土壤固化性能試驗

對固體廢棄物的處理技術和土樣性能進行試驗檢測時，需要先對現場采集到的土壤樣本成分進行分析。將土樣分為淺色土樣和深色土樣兩種類型后，對其進行化學試驗測定。基于測定結果，發現淺色土樣的pH 值為6.0，深色土樣的pH 值為4.82。在此基礎上通過直接萃取的方式，對淺色土樣和深色土樣中的化學成分含量進行測定，得到的結果如表1 所示。

表1 淺色土樣與深色土樣中各元素成分含量

在明確這一試驗結果的基礎上，需要先對隧道工程現場的煉油廢渣污染土的基本物理特性進行試驗檢測。在含水率檢測方面，主要應用三個鋁盒、天平、烘箱及干燥器等試驗設備，并根據土樣質量試驗規程標準來檢測。經檢測，淺色土樣的含水率為11.5%，深色土樣的含水率為19.1%。在干密度檢測方面，該工程主要應用輕型擊實筒、2.5kg 擊錘、推土器、天平、臺秤、5mm 分篩器及其他相關設備。整個試驗過程遵循土工試驗相關規定展開。經檢測，淺色原狀土的最優含水率為19%，最大干密度為1.75g/cm3；深色原狀土的最優含水率為15%，最大干密度為1.46g/cm3。

應用固化技術對受污染土壤的固化性能進行試驗后，還需要通過無側限抗壓強度試驗的方式，驗證在受污染的情況下，該區域土壤結構和質量能否滿足隧道工程的施工建設要求。該方面的試驗，主要選用消石灰固化劑對受污染土地區的土樣進行固化處理。將消石灰與土樣充分混合拌勻后制成100mm×100mm×100mm 的試塊之后，基于試驗目的和現有操作設備，以土樣作為控制變量，使其基本保持不變。明確土樣的壓實度和石灰摻量數值后，將兩種煉油廢渣的污染土樣置于標準灑水養護條件下，分別養護28d、90d、180d，再對得到的土樣試件進行無側限抗壓強度試驗和毒性浸出試驗。待水、固化劑石灰、干土充分攪拌均勻，獲得針對現場土樣檢測獲得的物理性能參數之后，需要基于試驗目標和要求，在遵循操作規范的前提下取得相應的土樣、石灰和水，制備試件。

基于試驗得到的檢測結果，需要再次應用毒性浸出試驗的方式對固化體的穩定性進行評價[5]。最后通過掃描電子顯微鏡技術，對固體的微觀結構進行分析（見圖1）。

圖1 試驗流程圖

這一過程主要涉及無側限抗壓強度試驗、毒性浸出試驗以及掃描電鏡制樣三個步驟。其中，除無側限抗壓強度試驗應用常規的試驗方法之外，毒性浸出試驗需要基于土樣的含水率來計算，進而得到試驗需要的浸提劑的體積。確定需要加入的浸提劑量之后，將摻入浸提劑的裝有溶液的容器垂直固定在水平振蕩裝置上，經過振蕩處理后，對溶液中的重金屬含量進行分析。掃描電鏡制樣主要是指在土塊自然風干之后將其敲碎，對土樣表面的浮土進行清潔處理后，以抽真空和鍍金的方式進行試驗檢測。

2.3 結果分析

對試驗結果進行分析，能夠得到不同控制變量下的土樣無側限抗壓強度變化情況。

2.3.1 無側限抗壓強度的試驗結果

對于深色土樣，將試驗試件處于標準養護狀態下，以養護齡期為控制變量，設置28d、90d、180d 三個不同的指標，進行無側限抗壓強度試驗，發現深色土樣在石灰摻量逐漸提高的情況下，無側限抗壓強度隨養護齡期的增長逐漸增加。同時發現，在土壤中溶液堿性較大的情況下，土壤中的硅鋁礦物的解離作用也更為明顯，因而可以判斷，隨著固化劑石灰的摻入，在一定養護齡期后所有pH 值均會提高。

對于淺色土樣，基于設定的相同控制變量，發現石灰固化土的無側限抗壓強度變化節點為養護齡期的28d，在此時間之前，石灰摻量呈升高的狀態，而在此時間之后，呈現出降低的趨勢。

為驗證應用固化技術后的受污染土壤樣品性能的效果，可以選擇該隧道工程周圍并未受到污染的黃土，以相同的方式對黃土進行固化處理之后，對土樣進行無側限抗壓強度試驗。針對深色土樣的檢測，得到表2 所示的結果。

表2 深色土樣與黃土的無側限抗壓強度檢測情況 單位：kPa

結合表2 中數據可以發現，基于改良黃土與深色黃土在性質、結構等方面的不同，前者的無側限抗壓強度要明顯優于后者。而二者在試驗中都會受到石灰摻量的影響，使土樣石灰摻量與無側限抗壓強度之間呈現正相關的關系。應用相同方法對淺色土樣試驗，發現淺色污染土固化體的無側限抗壓強度變化規律存在一定的范疇，超出該范圍后，因受石灰摻量的影響，無側限抗壓強度會下降。

2.3.2 浸出毒性試驗結果

對經過固化處理的污染土壤浸出毒性特性進行檢測，主要檢測土樣中的苯、鉻、鎘、鉛、硫化物、酚、有機物含量。其中，在淺色土樣中，檢測發現苯及有機物的含量隨著石灰摻量的增加而降低，重金屬鉻、鎘、鉛的含量在摻入固化劑石灰后，含量明顯降低，而硫化物含量濃度在摻入固化劑石灰后有所提高。基于此，在考慮污染土壤處理的過程中，應持續關注現場環境對土壤的影響，找到土壤浸出毒性的變化規律。

2.3.3 掃描電鏡

由于無側限抗壓強度以及毒性浸出兩種試驗主要是從固化劑石灰摻量和養護齡期兩個宏觀方面來分析的，因此還需要在此基礎上，從微觀層面應用掃描電鏡的方法，對受污染土樣的固化劑摻量、養護齡期、污染程度等進行分析。

對于固化劑摻量的分析，可以應用電子顯微鏡將土樣的鏡像放大1 萬倍，對添加不同石灰摻量的土樣的微觀結構進行觀察。在深色土樣中，觀察發現隨著石灰摻量的增加，基于相應的化學反應原理，土壤中生成棒狀結構，這種結構的增多導致土壤環境中的孔隙減少，結構更緊密。在淺色土樣中，通過對土壤的觀察，發現其中也生成了大量排列規則的棒狀組織，降低孔隙率，提高了結構的密實度。

對于養護齡期的分析，需要將控制變量設定為養護28d、90d，在石灰摻量為12%和灑水養護條件下，利用電子顯微鏡進行觀察。在深色土樣中，發現土壤的整體結構并未呈現出明顯的變化。在淺色土樣中，石灰能夠與土壤表面的物質發生化學反應，形成棒狀組織，且養護時間越長棒狀組織數量越多，孔隙率降低，結構越來越致密。

對于污染程度的分析，主要將12%石灰摻量淺色土固化體放大2.5 萬倍，發現淺色污染土與石灰的結合程度要優于深色污染土。

2.4 隧道工程穿越污染土地區的防治趨勢

污染土地區的土壤在抗壓強度等性能方面發生的變化，會直接影響隧道工程的整體施工效果。根據上述試驗結果可知，這些受污染地區的土樣無限測抗壓強度要明顯低于一般黃土的性能，且受到的污染程度越大，土樣的性能越低。控制各種不同變量進行試驗時，發現石灰摻量、養護齡期等因素會直接影響對受污染土樣的固化處理效果。

需要注意到的是，上述試驗是以模擬現場環境變化的方式開展的，所得到的試驗數據難以真實反映土壤在實際變化環境中的情況，因而需要做進一步的現場試驗與分析，以更準確地判斷土壤中各種元素的含量變化。未來還需要針對試驗的影響因素，對土樣處理固化技術進行進一步研究，降低受污染土壤環境對隧道工程施工帶來的不利影響。

3 結論

綜上所述，受污染土壤會在一定程度上限制隧道工程各項施工任務的開展，也會對隧道工程的施工質量產生影響。為避免此類問題，在隧道工程施工防治過程中，需要做好對工程現場環境的地質檢測，在明確現場地質水文條件的基礎上，加強對隧道工程支護結構的加固和防腐處理，并嚴格遵循相應的施工標準開展施工作業，確保施工質量與施工安全。