付 伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

宝兰客运专线湿陷性黄土分布规律及地基处理技术分析

付 伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

宝鸡至兰州客运专线为我国在陇西深厚层湿陷性黄土地区修建的第一条高速铁路客运专线。该线所属区域湿陷性黄土厚度大、等级高，如何准确查明沿线湿陷性黄土的分布规律对于基底沉降控制尤为重要。为了详细查明宝兰客运专线沿线湿陷性黄土的分布规律，勘察中在全线开展详细的工程地质勘察工作，同时，针对深厚层湿陷性黄土，采用深试坑、钻探及静力触探相结合的综合勘察手段，查明沿线湿陷性黄土的分布规律。从宏观上对沿线湿陷性黄土分布规律进行系统的分析，并结合既有郑西客运专线的成功经验，对深厚层湿陷性黄土处理技术进行详细论述。

宝兰客运专线；黄土；分布规律；地基处理；湿陷等级

1 概况

宝鸡至兰州客运专线为国家 “四纵四横” 高速客运网的重要组成部分，属于徐州至兰州客运专线的西段。线路东起陕西省宝鸡市，沿渭河峡谷既有陇海通道进入甘肃省天水市，向西经过秦安县、通渭县、定西市后，两跨既有陇海铁路，经榆中县至终点兰州西客站[1]。线路跨越陕西和甘肃两省，全长约400.14 km。东端与西宝客运专线相接，向东可直达中原及华北、华东地区，向西可连通青海、新疆，并通过兰州枢纽与兰新第二双线、包兰铁路、兰渝铁路衔接，位于东中部与西部铁路网联系的咽喉要道。该线约3/4的线路位于天礼盆地低山丘陵区及黄土梁峁沟壑区，由于线路设计时速250 km，要求基底工后沉降不得大于15 mm。且区内地形地质条件复杂，湿陷性黄土层厚度大、等级高，基底处理困难，为了有效控制湿陷性黄土的沉降量，线路主要以桥隧通过，桥隧比例占线路全长97.53%，路基工程仅占2.47%。

2 线路通过区湿陷性黄土的区域地质环境

宝兰客运专线宝鸡至天水段主要位于西秦岭北麓中低山区，湿陷性黄土呈零星分布，对基底影响较小；天水至兰州段为天礼盆地低山丘陵区及黄土梁峁沟壑区，从区域地貌上属于陇西地区[2]，为我国自重湿陷性黄土分布最强的地区，多年来重大工程多处于河谷或阶地上，在黄土梁峁区中部上部鲜有重大建筑物，而宝兰客运专线由于线路等级高，曲线半径较大(线路最小曲率半径为4 500 m)，线路不可避免处于黄土梁峁区中、上部，导致隧道进出口、桥梁墩台及路基工程多处于黄土分布较厚、湿陷等级较高的塬梁及斜坡部位，路基基底处理困难，因此，如何准确查明工程所属区域湿陷性黄土的分布规律及物理力学指标，控制基底沉降成为勘察和设计的重点。

3 湿陷性黄土的判定及地区分布规律

3.1 湿陷性黄土的常规判定方法

所谓湿陷性黄土，指的是在一定压力之下受水浸湿，土体结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土。对于湿陷性黄土的判定主要有室内压缩试验法、现场静力荷载试验和现场无载荷试坑浸水试验法。在外业勘测前期工作中主要采用室内试验法结合计算判定黄土的湿陷土层厚度、湿陷量及湿陷等级等试验参数。室内试验法是目前应用较为广泛，且较为成熟的一种试验方法。主要是通过现场取样，在符合一定条件下于室内通过测定黄土的湿陷系数δS、自重湿陷系数δZS，和湿陷起始压力Psh，并采用如下公式计算出黄土的ΔS和ΔZS：

结合湿陷性黄土地区建筑规范表4.4.7即可判断出黄土的湿陷等级及类型[2]。

3.2宝兰客运专线湿陷性黄土的地区分布规律(图1)

由于宝兰客运专线线路长，跨越的微地貌单元较多，湿陷性黄土厚度差别较大，所属不同成因、时代黄土的湿陷土层厚度、湿陷等级差异较大，根据不同地貌单元、不同时代的黄土分别进行统计计算，结果显示(表1、表2)，第四系上更新统黄土的湿陷土层厚度较全新统层黄土要厚，相应的湿陷等级也要高一些，且地区间差异也较大。通过现场取样结合室内试验分析结果显示，最大湿陷性黄土层厚度可达30 m，给基底处理带来较大困难。

图1 宝兰客运专线湿陷性黄土厚度分布

在同一地区不同的地貌单元及不同成因时代的黄土湿陷等级差别较大。通过勘察发现，宝兰客运专线沿线黄土湿陷等级均较郑西客运专线要高，郑西客运专线湿陷性等级一般以Ⅰ～Ⅱ级为主，局部为Ⅲ～Ⅳ级(表3)，而宝兰客运专线在黄土梁峁区及高阶地上黄土湿陷等级多以Ⅳ级为主。且沿线高阶地黄土湿陷土层厚度较低阶地厚，梁峁区黄土湿陷土层最厚，与此同时，在黄土梁峁区边缘斜坡地段由于季节性降雨的侵蚀作用，极易产生黄土滑坡、错落及溜坍，同时黄土陷穴极为发育，对工程的影响越大。

表1 黄土梁峁区黄土湿陷厚度统计

表2 阶地区黄土湿陷厚度统计

表3 郑西客运专线黄土湿陷性等级[3]

3.3深厚层湿陷性黄土的土力学指标随深度变化规律分析

根据宝兰客运专线全线湿陷性黄土的统计分析，结合兰州地区以往湿陷性黄土的研究成果，发现黄土湿陷性系数及各类物理力学参数随深度差异性变化显著，如湿陷性黄土的孔隙比，上部砂质黄土的孔隙比明显大于下部，一般马兰黄土的孔隙比大于1.0，最大可达1.2[4]，梁峁区黄土湿陷性随深度变化趋势明显，一般在15～20 m以内湿陷性随深度递减，超过20 m以后，湿陷性系数急剧下降，直至小于0.015(图2，图3)。

图2 黄土梁峁区(天水)湿陷系数随深度变化曲线

图3 静力触探实测黄土梁峁区(天水)基本承载力随深度变化曲线

4 客运专线深厚层湿陷性黄土区地基处理技术

由于宝兰客运专线隧道进出口多位于黄土梁峁区斜坡部位，而路基工程处于桥隧之间，长度在10～20 m的短路基工程较多，桥隧过渡段基底沉降处理困难。高速铁路无砟轨道路基竣工运营后若发生基底沉降，只能依靠扣件的调高能力使钢轨向上抬高，使轨面保持平顺，但扣件的抬高量是相当有限的。为此，要求路基的工后沉降量不得超过15 mm，这样的工后沉降与有砟轨道和其他工程的要求相比可以趋于零[5]，因此在施工中不得不采用各种加固措施来对隧道进出口及路基基底湿陷性黄土进行处理，以保证基底工后沉降满足设计要求。目前国内对于湿陷性黄土地基处理较为成熟的方法主要有：碾压、换填、强夯、动力/振动挤密桩、静力挤密(预制)桩、CFG桩、注浆、高压注浆、高压旋喷桩等[6]；宝兰客运专线在借鉴既有郑西客运专线成功经验上，对大厚度湿陷性黄土地基设计中采用复合地基方式进行处理。

由于宝兰客运专线所属地形地质条件复杂，工程所属湿陷性黄土厚度差异性较大，湿陷等级从Ⅰ～Ⅳ级均存在，基底处理方式复杂，因此基底处理方式与湿陷土层厚度、湿陷等级有紧密联系，其主要处理方式见表4。

表4 宝兰客运专线湿陷性黄土地基处理方式

4.1 湿陷性黄土隧道基底处理

隧道工程一般位于具有一定埋深的湿陷性黄土地基上，除隧道基底以上黄土具有湿陷性外，基底部分黄土仍可能具有一定湿陷性，但影响隧道基底沉降的湿陷变形量主要来自于下伏湿陷性黄土的湿陷变形量。上覆黄土的湿陷变形发生主要是改变作用于隧道的围岩压力，当衬砌结构足以抵抗上覆黄土自重时，不会对隧道结构造成危害[7]。

针对宝兰客运专线深厚层湿陷性黄土不同厚度、不同工程类型采用不同的处理方式。而对于隧道工程来说，防治或减少隧道基底湿陷的措施，可以分为基底处理措施、防水及结构措施。对于明挖段隧道基底的处理可以采用与路基类似的处理方法[8]，如渭河隧道进口，黄土层厚度约30～35 m，其中湿陷性黄土厚度为25～30 m，底部为上第三系泥岩，为了能够彻底消除基底黄土湿陷性，对隧道明洞段基底主要采用水泥土挤密桩、钢筋混凝土钻孔桩[9]及长短桩(即CFG桩+水泥土挤密桩)进行处理[10](图4及图5)，并将基础置于泥岩一定深度中，同时做好地表的防排水工作，避免基底浸泡。

图4 渭河隧道进口湿陷性黄土地基处理

图5 渭河隧道进口湿陷性黄土地基处理纵断面(单位：m)

而对于暗挖段隧道来说，在湿陷性黄土基底未处理之前，无法施作仰拱和二次衬砌。因此，宝兰客运专线在基于既有郑西客运专线经验基础之上，结合宝兰客运专线湿陷性黄土的实际情况，原则上采用如下处理方式：(1)CFG桩/砂桩或水泥桩，湿陷土层厚度大于20 m时候采用；(2)水泥土或灰土挤密桩，湿陷土层厚度10～20 m时候采用；(3)旋喷桩或粉喷桩，一般在厚度约5～10 m时采用；(4)强夯法或换填法，厚度3～8 m时采用。但对于暗挖隧道来说，由于黄土隧道进出口段一般为Ⅴ级围岩，无论采用何种处理方式，对隧道施工影响均较大，施工中容易引起边坡失稳，因此在基底处理中一般采用易于操作的施工方式进行处理[11]。

4.2 湿陷性黄土路基基底处理

由于宝兰客运专线黄土湿陷土层厚，湿陷等级高，对于基底的深厚层湿陷性黄土地基处理主要采用复合地基方式进行处理。宝兰客运专线对于湿陷性黄土地基一般采用如下方式进行处理:(1)湿陷厚度为小于3 m地段，采用挖除换填土+CFG桩进行处理;(2)当湿陷厚度大于3 m时，采用长短桩复合地基处理措施：短桩采用水泥土挤密桩，长桩采用CFG桩。挤密桩要根据地基土的含水量、饱和度可采用沉管成孔、长螺旋钻或洛阳铲成孔，饱和度较大地段要避免采用沉管成孔，且地下水位附近的桩身材料要使用干性混凝土，CFG桩采用长螺旋钻孔管内泵压混合料成桩施工;(3)桩板结构，为保证刚度一致，桥与桥、桥与隧及隧与隧之间短于150 m的路基采用桩板结构进行处理，黄土地层较厚，且上部湿陷性厚度大于20 m，路基工后沉降难以控制的地段，采用桩板结构进行处理；对于深厚层湿陷性黄土路基来说，主要采用的还是桩板结构和柱锤扩充桩。对于车站采用宽大桩板结构进行处理。而且处理深度较郑西客运专线[12]深，以兰州西站为例，考虑到湿陷性黄土层厚度为10～30 m，最大桩长可达15～45 m(图6)。

图6 兰州西站地基处理示意

5 结语

综合分析来看，宝兰客运专线沿线湿陷性黄土无论分布范围、湿陷土层厚度均较厚，局部地段湿陷性黄土厚度超过20 m，属于陇西黄土梁峁区深厚层湿陷性黄土分布区。

(1)对于湿陷性黄土地区的工程地质勘察工作，应重点查明湿陷性黄土土层厚度等试验参数，对于难以查明的厚层湿陷性黄土，应开展专门的地质勘察工作，必要时采用机械挖探，避免取样过程中对土样的扰动，同时可结合静力触探资料进行综合分析。

(2)宝兰客运专线湿陷性黄土分布规律地貌差异性较大，黄土梁峁区较阶地区湿陷性黄土厚度大，阶地区较河谷区湿陷性黄土厚度大，相应的，湿陷性等级也相应较高，对于黄土梁峁区斜坡部位黄土基底处理难度也相对较大。

(3)对于基底存在湿陷性黄土隧道工程来说，如何选择合理、经济，对隧道洞口振动较小且可行的设计和施工方案对于暗挖段隧道工程基底处理至关重要，由于隧道工程施工空间的限制，盲目选用基底沉降最优方案并不一定是科学的，应结合洞口坡面实际情况综合分析，否则极有可能导致整个隧道口坡面失稳。

(4)对基底湿陷性黄土的处理方式，应结合湿陷土层厚度、工程类型、地形地貌综合考虑来进行处理。对地基处理方式的选择，应考虑施工现状、工期、场地条件、经济性等因素，并分析施工中可能会遇到的问题，最终选择安全、可靠、经济合理并易于实施的方案。

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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

铁道部重点攻坚课题(2010G018-B-4)

付 伟(1981—)，男，工程师，2005年毕业于西南交通大学，

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