寶蘭客運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)計院集團有限公司，西安 710043)

寶蘭客運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)計院集團有限公司，西安 710043)

寶雞至蘭州客運專線為我國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專線。該線所屬區(qū)域濕陷性黃土厚度大、等級高，如何準確查明沿線濕陷性黃土的分布規(guī)律對于基底沉降控制尤為重要。為了詳細查明寶蘭客運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的工程地質(zhì)勘察工作，同時，針對深厚層濕陷性黃土，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。從宏觀上對沿線濕陷性黃土分布規(guī)律進行系統(tǒng)的分析，并結(jié)合既有鄭西客運專線的成功經(jīng)驗，對深厚層濕陷性黃土處理技術(shù)進行詳細論述。

寶蘭客運專線；黃土；分布規(guī)律；地基處理；濕陷等級

1 概況

寶雞至蘭州客運專線為國家 “四縱四橫” 高速客運網(wǎng)的重要組成部分，屬于徐州至蘭州客運專線的西段。線路東起陜西省寶雞市，沿渭河峽谷既有隴海通道進入甘肅省天水市，向西經(jīng)過秦安縣、通渭縣、定西市后，兩跨既有隴海鐵路，經(jīng)榆中縣至終點蘭州西客站[1]。線路跨越陜西和甘肅兩省，全長約400.14 km。東端與西寶客運專線相接，向東可直達中原及華北、華東地區(qū)，向西可連通青海、新疆，并通過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)計時速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，橋隧比例占線路全長97.53%，路基工程僅占2.47%。

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

寶蘭客運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]，為我國自重濕陷性黃土分布最強的地區(qū)，多年來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，而寶蘭客運專線由于線路等級高，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)致隧道進出口、橋梁墩臺及路基工程多處于黃土分布較厚、濕陷等級較高的塬梁及斜坡部位，路基基底處理困難，因此，如何準確查明工程所屬區(qū)域濕陷性黃土的分布規(guī)律及物理力學指標，控制基底沉降成為勘察和設(shè)計的重點。

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。對于濕陷性黃土的判定主要有室內(nèi)壓縮試驗法、現(xiàn)場靜力荷載試驗和現(xiàn)場無載荷試坑浸水試驗法。在外業(yè)勘測前期工作中主要采用室內(nèi)試驗法結(jié)合計算判定黃土的濕陷土層厚度、濕陷量及濕陷等級等試驗參數(shù)。室內(nèi)試驗法是目前應(yīng)用較為廣泛，且較為成熟的一種試驗方法。主要是通過現(xiàn)場取樣，在符合一定條件下于室內(nèi)通過測定黃土的濕陷系數(shù)δS、自重濕陷系數(shù)δZS，和濕陷起始壓力Psh，并采用如下公式計算出黃土的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及類型[2]。

3.2寶蘭客運專線濕陷性黃土的地區(qū)分布規(guī)律(圖1)

由于寶蘭客運專線線路長，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、時代黃土的濕陷土層厚度、濕陷等級差異較大，根據(jù)不同地貌單元、不同時代的黃土分別進行統(tǒng)計計算，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)的濕陷等級也要高一些，且地區(qū)間差異也較大。通過現(xiàn)場取樣結(jié)合室內(nèi)試驗分析結(jié)果顯示，最大濕陷性黃土層厚度可達30 m，給基底處理帶來較大困難。

圖1 寶蘭客運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代的黃土濕陷等級差別較大。通過勘察發(fā)現(xiàn)，寶蘭客運專線沿線黃土濕陷等級均較鄭西客運專線要高，鄭西客運專線濕陷性等級一般以Ⅰ～Ⅱ級為主，局部為Ⅲ～Ⅳ級(表3)，而寶蘭客運專線在黃土梁峁區(qū)及高階地上黃土濕陷等級多以Ⅳ級為主。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，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、錯落及溜坍，同時黃土陷穴極為發(fā)育，對工程的影響越大。

表1 黃土梁峁區(qū)黃土濕陷厚度統(tǒng)計

表2 階地區(qū)黃土濕陷厚度統(tǒng)計

表3 鄭西客運專線黃土濕陷性等級[3]

3.3深厚層濕陷性黃土的土力學指標隨深度變化規(guī)律分析

根據(jù)寶蘭客運專線全線濕陷性黃土的統(tǒng)計分析，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1.2[4]，梁峁區(qū)黃土濕陷性隨深度變化趨勢明顯，一般在15～20 m以內(nèi)濕陷性隨深度遞減，超過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 靜力觸探實測黃土梁峁區(qū)(天水)基本承載力隨深度變化曲線

4 客運專線深厚層濕陷性黃土區(qū)地基處理技術(shù)

由于寶蘭客運專線隧道進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，長度在10～20 m的短路基工程較多，橋隧過渡段基底沉降處理困難。高速鐵路無砟軌道路基竣工運營后若發(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有限的。為此，要求路基的工后沉降量不得超過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對隧道進出口及路基基底濕陷性黃土進行處理，以保證基底工后沉降滿足設(shè)計要求。目前國內(nèi)對于濕陷性黃土地基處理較為成熟的方法主要有：碾壓、換填、強夯、動力/振動擠密樁、靜力擠密(預(yù)制)樁、CFG樁、注漿、高壓注漿、高壓旋噴樁等[6]；寶蘭客運專線在借鑒既有鄭西客運專線成功經(jīng)驗上，對大厚度濕陷性黃土地基設(shè)計中采用復(fù)合地基方式進行處理。

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

表4 寶蘭客運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，當襯砌結(jié)構(gòu)足以抵抗上覆黃土自重時，不會對隧道結(jié)構(gòu)造成危害[7]。

針對寶蘭客運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。而對于隧道工程來說，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]及長短樁(即CFG樁+水泥土擠密樁)進行處理[10](圖4及圖5)，并將基礎(chǔ)置于泥巖一定深度中，同時做好地表的防排水工作，避免基底浸泡。

圖4 渭河隧道進口濕陷性黃土地基處理

圖5 渭河隧道進口濕陷性黃土地基處理縱斷面(單位：m)

而對于暗挖段隧道來說，在濕陷性黃土基底未處理之前，無法施作仰拱和二次襯砌。因此，寶蘭客運專線在基于既有鄭西客運專線經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，結(jié)合寶蘭客運專線濕陷性黃土的實際情況，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時候采用；(2)水泥土或灰土擠密樁，濕陷土層厚度10～20 m時候采用；(3)旋噴樁或粉噴樁，一般在厚度約5～10 m時采用；(4)強夯法或換填法，厚度3～8 m時采用。但對于暗挖隧道來說，由于黃土隧道進出口段一般為Ⅴ級圍巖，無論采用何種處理方式，對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行處理[11]。

4.2 濕陷性黃土路基基底處理

由于寶蘭客運專線黃土濕陷土層厚，濕陷等級高，對于基底的深厚層濕陷性黃土地基處理主要采用復(fù)合地基方式進行處理。寶蘭客運專線對于濕陷性黃土地基一般采用如下方式進行處理:(1)濕陷厚度為小于3 m地段，采用挖除換填土+CFG樁進行處理;(2)當濕陷厚度大于3 m時，采用長短樁復(fù)合地基處理措施：短樁采用水泥土擠密樁，長樁采用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、長螺旋鉆或洛陽鏟成孔，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)進行處理；對于深厚層濕陷性黃土路基來說，主要采用的還是樁板結(jié)構(gòu)和柱錘擴充樁。對于車站采用寬大樁板結(jié)構(gòu)進行處理。而且處理深度較鄭西客運專線[12]深，以蘭州西站為例，考慮到濕陷性黃土層厚度為10～30 m，最大樁長可達15～45 m(圖6)。

圖6 蘭州西站地基處理示意

5 結(jié)語

綜合分析來看，寶蘭客運專線沿線濕陷性黃土無論分布范圍、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)對于濕陷性黃土地區(qū)的工程地質(zhì)勘察工作，應(yīng)重點查明濕陷性黃土土層厚度等試驗參數(shù)，對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，必要時采用機械挖探，避免取樣過程中對土樣的擾動，同時可結(jié)合靜力觸探資料進行綜合分析。

(2)寶蘭客運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，濕陷性等級也相應(yīng)較高，對于黃土梁峁區(qū)斜坡部位黃土基底處理難度也相對較大。

(3)對于基底存在濕陷性黃土隧道工程來說，如何選擇合理、經(jīng)濟，對隧道洞口振動較小且可行的設(shè)計和施工方案對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的，應(yīng)結(jié)合洞口坡面實際情況綜合分析，否則極有可能導(dǎo)致整個隧道口坡面失穩(wěn)。

(4)對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進行處理。對地基處理方式的選擇，應(yīng)考慮施工現(xiàn)狀、工期、場地條件、經(jīng)濟性等因素，并分析施工中可能會遇到的問題，最終選擇安全、可靠、經(jīng)濟合理并易于實施的方案。

[1] 張哲，付偉.寶蘭客運專線黃土陷(暗)穴專題地質(zhì)報告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2012．

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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

鐵道部重點攻堅課題(2010G018-B-4)

付 偉(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西南交通大學，

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