周家莊貨聯(lián)線九合隧道穿越污染土地區(qū)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(wù)段，甘肅蘭州 730000）

0 引言

特殊地質(zhì)是影響隧道工程施工建設(shè)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(shù)也提出更高要求。特殊地質(zhì)的種類較多，無論是硬巖地質(zhì)環(huán)境還是受污染較為嚴重的地質(zhì)環(huán)境，在隧道工程施工中都很容易引發(fā)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(shè)質(zhì)量，需要結(jié)合各類隧道工程案例，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，加強對各種特殊施工建設(shè)環(huán)境的處理和防治。

1 受污染土壤環(huán)境對隧道工程的影響

由于隧道工程建設(shè)中會遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)和地形環(huán)境，隧道工程現(xiàn)場周圍的特殊地形環(huán)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(huán)境為例，從本質(zhì)上來說其屬于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的一種。在施工現(xiàn)場土壤環(huán)境受到污染的情況下，不僅工程現(xiàn)場的地下水會受到污染，土壤環(huán)境的穩(wěn)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(fā)生概率。具體而言，受污染土地區(qū)對隧道工程施工建設(shè)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(huán)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(zhì)的遷移會導(dǎo)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 隧道工程穿越污染土地區(qū)防治措施分析

若隧道工程穿越污染土地區(qū)，需要采取相應(yīng)的防治措施，這樣才能保證隧道支撐結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，以及隧道工程的整體施工效果[3]?；谶@一目的，結(jié)合周家莊貨聯(lián)線九合隧道工程案例，探討相應(yīng)的防治措施。

2.1 工程概況

周家莊貨聯(lián)線九合隧道為典型的雙線隧道工程，最大埋深106m。在現(xiàn)場施工開挖里程至HK6+411處，洞內(nèi)出現(xiàn)刺鼻異味，經(jīng)進一步現(xiàn)場地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段土質(zhì)環(huán)境中的基巖雖然比較完整，但巖面較為潮濕，持續(xù)施工一段時間后發(fā)現(xiàn)巖面有持續(xù)散發(fā)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(zhuǎn)為明挖。施工完成后發(fā)現(xiàn)，具有刺鼻異味的區(qū)段以往是用作危險廢物的填埋場。

結(jié)合工程現(xiàn)場以往的勘查資料了解到，該區(qū)段曾為工業(yè)棄渣場，主要用于填埋石化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中產(chǎn)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(xiàn)場土壤環(huán)境條件后發(fā)現(xiàn)，施工現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，其中含有煉油產(chǎn)生的廢棄物。經(jīng)相關(guān)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(huán)境中檢測出的鉛、鉻、鎘等元素，如果遇到高溫、水、酸等，會呈現(xiàn)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(guān)人員產(chǎn)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(shù)處理原理

結(jié)合周家莊貨聯(lián)線九合隧道工程現(xiàn)場的實際情況，為驗證煉油廢渣這一固體廢棄物對土壤環(huán)境以及隧道工程施工建設(shè)產(chǎn)生的影響，可以基于固體廢棄物固化技術(shù)處理原理，對煉油廢渣污染土進行試驗檢測。當(dāng)前的固化技術(shù)處理能夠基于處置放射性污泥和蒸發(fā)濃縮液的方式，對電鍍污泥鉻渣等化學(xué)組分較為復(fù)雜的危險廢物進行處理[3]。但要想有效發(fā)揮該技術(shù)的作用，一方面要保證技術(shù)應(yīng)用的規(guī)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(huán)境造成的影響，主要體現(xiàn)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(huán)境中的固體廢棄物表面積會增大。當(dāng)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(shù)：

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(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方式，讓反應(yīng)的生成物能夠結(jié)合在一起，同時與土體顆粒結(jié)合成為共晶體，以此達到提高石灰土水穩(wěn)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(shù)和土樣性能進行試驗檢測時，需要先對現(xiàn)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(xué)試驗測定?；跍y定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)淺色土樣的pH 值為6.0，深色土樣的pH 值為4.82。在此基礎(chǔ)上通過直接萃取的方式，對淺色土樣和深色土樣中的化學(xué)成分含量進行測定，得到的結(jié)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(jié)果的基礎(chǔ)上，需要先對隧道工程現(xiàn)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(yīng)用三個鋁盒、天平、烘箱及干燥器等試驗設(shè)備，并根據(jù)土樣質(zhì)量試驗規(guī)程標準來檢測。經(jīng)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(yīng)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(guān)設(shè)備。整個試驗過程遵循土工試驗相關(guān)規(guī)定展開。經(jīng)檢測，淺色原狀土的最優(yōu)含水率為19%，最大干密度為1.75g/cm3；深色原狀土的最優(yōu)含水率為15%，最大干密度為1.46g/cm3。

應(yīng)用固化技術(shù)對受污染土壤的固化性能進行試驗后，還需要通過無側(cè)限抗壓強度試驗的方式，驗證在受污染的情況下，該區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量能否滿足隧道工程的施工建設(shè)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(qū)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?zāi)康暮同F(xiàn)有操作設(shè)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(shù)值后，將兩種煉油廢渣的污染土樣置于標準灑水養(yǎng)護條件下，分別養(yǎng)護28d、90d、180d，再對得到的土樣試件進行無側(cè)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(xiàn)場土樣檢測獲得的物理性能參數(shù)之后，需要基于試驗?zāi)繕撕鸵?，在遵循操作?guī)范的前提下取得相應(yīng)的土樣、石灰和水，制備試件。

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

圖1 試驗流程圖

這一過程主要涉及無側(cè)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(cè)限抗壓強度試驗應(yīng)用常規(guī)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(jīng)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(fēng)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(jié)果分析

對試驗結(jié)果進行分析，能夠得到不同控制變量下的土樣無側(cè)限抗壓強度變化情況。

2.3.1 無側(cè)限抗壓強度的試驗結(jié)果

對于深色土樣，將試驗試件處于標準養(yǎng)護狀態(tài)下，以養(yǎng)護齡期為控制變量，設(shè)置28d、90d、180d 三個不同的指標，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)深色土樣在石灰摻量逐漸提高的情況下，無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增長逐漸增加。同時發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)護齡期后所有pH 值均會提高。

對于淺色土樣，基于設(shè)定的相同控制變量，發(fā)現(xiàn)石灰固化土的無側(cè)限抗壓強度變化節(jié)點為養(yǎng)護齡期的28d，在此時間之前，石灰摻量呈升高的狀態(tài)，而在此時間之后，呈現(xiàn)出降低的趨勢。

為驗證應(yīng)用固化技術(shù)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(cè)限抗壓強度試驗。針對深色土樣的檢測，得到表2 所示的結(jié)果。

表2 深色土樣與黃土的無側(cè)限抗壓強度檢測情況 單位：kPa

結(jié)合表2 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，基于改良黃土與深色黃土在性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面的不同，前者的無側(cè)限抗壓強度要明顯優(yōu)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(cè)限抗壓強度之間呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。應(yīng)用相同方法對淺色土樣試驗，發(fā)現(xiàn)淺色污染土固化體的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)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(cè)限抗壓強度會下降。

2.3.2 浸出毒性試驗結(jié)果

對經(jīng)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(fā)現(xiàn)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?；诖?，在考慮污染土壤處理的過程中，應(yīng)持續(xù)關(guān)注現(xiàn)場環(huán)境對土壤的影響，找到土壤浸出毒性的變化規(guī)律。

2.3.3 掃描電鏡

由于無側(cè)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(yǎng)護齡期兩個宏觀方面來分析的，因此還需要在此基礎(chǔ)上，從微觀層面應(yīng)用掃描電鏡的方法，對受污染土樣的固化劑摻量、養(yǎng)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(yīng)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(jié)構(gòu)進行觀察。在深色土樣中，觀察發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的增加，基于相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)原理，土壤中生成棒狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的增多導(dǎo)致土壤環(huán)境中的孔隙減少，結(jié)構(gòu)更緊密。在淺色土樣中，通過對土壤的觀察，發(fā)現(xiàn)其中也生成了大量排列規(guī)則的棒狀組織，降低孔隙率，提高了結(jié)構(gòu)的密實度。

對于養(yǎng)護齡期的分析，需要將控制變量設(shè)定為養(yǎng)護28d、90d，在石灰摻量為12%和灑水養(yǎng)護條件下，利用電子顯微鏡進行觀察。在深色土樣中，發(fā)現(xiàn)土壤的整體結(jié)構(gòu)并未呈現(xiàn)出明顯的變化。在淺色土樣中，石灰能夠與土壤表面的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成棒狀組織，且養(yǎng)護時間越長棒狀組織數(shù)量越多，孔隙率降低，結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)淺色污染土與石灰的結(jié)合程度要優(yōu)于深色污染土。

2.4 隧道工程穿越污染土地區(qū)的防治趨勢

污染土地區(qū)的土壤在抗壓強度等性能方面發(fā)生的變化，會直接影響隧道工程的整體施工效果。根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，這些受污染地區(qū)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?？刂聘鞣N不同變量進行試驗時，發(fā)現(xiàn)石灰摻量、養(yǎng)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(xiàn)場環(huán)境變化的方式開展的，所得到的試驗數(shù)據(jù)難以真實反映土壤在實際變化環(huán)境中的情況，因而需要做進一步的現(xiàn)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(shù)進行進一步研究，降低受污染土壤環(huán)境對隧道工程施工帶來的不利影響。

3 結(jié)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(wù)的開展，也會對隧道工程的施工質(zhì)量產(chǎn)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(xiàn)場環(huán)境的地質(zhì)檢測，在明確現(xiàn)場地質(zhì)水文條件的基礎(chǔ)上，加強對隧道工程支護結(jié)構(gòu)的加固和防腐處理，并嚴格遵循相應(yīng)的施工標準開展施工作業(yè)，確保施工質(zhì)量與施工安全。