陇东地区早胜塬古土壤膨胀特性研究

2020-12-16常帅斌张虎元朱江鸿

铁道建筑技术 2020年9期

常帅斌陈明张虎元朱江鸿

(1.中铁十二局集团第四工程有限公司陕西西安 710021；2.兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州 730000；3.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室甘肃兰州 730000)

1 引言

改革开放以来，在东部沿海地区已经发展非常迅速的情况下，国家开始更多地关注西部内陆地区的发展。“要想富，先修路”，进一步推动西部经济发展的手段之一就是修建高速铁路。高速铁路建设涉及众多的先进技术，遍及各种高新技术领域，需要大量的科技攻关，能够大大促进建筑业、材料化学工业、机械行业、IT行业、电子通讯行业等相关产业技术的发展，同时也将明显扩大和拓宽人们的生活半径和活动范围，带来更多的商机，使企业可以有更好的发展，给高铁途经地区的经济带来增长[1]。由于经济发展的需要以及“一带一路”的经济贸易以及文化交流合作的需求，西部地区的高铁建设来到了蓬勃向上的发展时期。黄土在西部地区分布范围广泛，经过西北的高铁不可避免地要穿越黄土地区，因此在黄土地区建设隧道的工程也开始变得多起来，比如现在已经建成的西安至太原、西安至兰州的高铁，以及正在建设的西安至银川的高铁，都以桥梁和隧道相结合的形式跨越了广大的黄土地区。

新建银西高铁自西安起向西北方向延伸至银川，途径宁夏、甘肃、陕西三省，设计时速为250 km，预计将于2020年底开通。全线通车后从西安出发乘坐高铁到达银川将只需要3 h，相比于现在乘坐火车的方式缩短了10 h。银西高铁连接了关天经济区、陇东地区和沿黄城市带这三个经济带，在我国的铁路路网中具有极其重要的地位。银西高铁的修建将显著改善银川对外开放条件，增加西安发展的战略纵深，使得陕甘宁的经济发展联系更加紧密。银西高铁甘宁段受地形所限及站位控制的原因，隧道在横跨庆阳市辖四县区时将穿越黄土塬区古土壤层，比如董志塬和早胜塬。

在黄土高原地区许多大型黄土沉积盆地中，有着一座座由厚层黄土堆积而成的平坦的高地。因为这种高地边缘陡峻，腹部平坦，像极了一块小小的“高原”，所以被当地人民形象地称作“黄土塬”[2]。黄土和古土壤组成了黄土塬的主要部分，其中黄土代表着干冷气候下的沉积，为大孔隙粉土，而古土壤则表明了沉积环境相对温暖和湿润，为棕红色黏土，古代气候的多次波动使得二者重叠出现。在粒度成分、矿物和化学成分上，二者物质组成差异显著，在微观结构等方面的差异则更为明显[3]。这二者截然不同的工程性质为隧道的开挖、施工和运营增添了难度。同时，古土壤有自己完整的发育剖面，聚集大量碳酸钙并胶结成形态多样的钙质结核层，含有较高的黏土矿物，具有遇水膨胀、崩解等不良性质。在开挖隧道时可能会产生开裂、内鼓、坍塌和膨胀等变形现象[4]，这导致了古土壤隧道在施工运营期间存在衬砌开裂、围岩膨胀突出、土体坍塌和隧道底部上拱等病害风险。

关于古土壤的研究有很多，刘秀铭等[5]通过对古土壤磁化率的分析，研究了气候变化对古土壤中磁化物的影响；石培宏等[6]研究了古土壤的色度变化，得出了古土壤的红度主要与土壤中的赤铁矿质量分数有关的结论，赤铁矿质量分数越高古土壤的颜色会显得越红；曹春山等[7]研究了古土壤的力学特性；乔彦松等[8]则研究了古土壤的粒度特征。

关于土的膨胀性的研究也有不少，比如张同娟等[9]和王益等[10]都对影响黄土膨胀性的因素进行了研究；曾娟娟等[11]则得出了在初始含水率一定时，增大土壤的干密度会增大膨胀土的无荷膨胀率或为膨胀土积蓄更多的膨胀潜势，在初始干密度一定时，增大土壤的含水率能有效地减少膨胀土的无荷膨胀率的结论。

尽管前人对古土壤的部分性质和膨胀土的膨胀性质有了一定的研究，却很少有涉及古土壤的膨胀性的研究。早胜一号和三号隧道作为我国首条穿越黄土塬区古土壤层的隧道，由于之前缺乏对古土壤膨胀性的相关研究和工程经验，在设计施工中没有考虑到古土壤的膨胀性而是将其当作黄土进行看待，而实际上黄土与古土壤膨胀性的差异是巨大的，这将在未来的施工以及使用中对隧道产生安全隐患。所以本文以早胜一号和三号隧道为研究背景，通过相关试验来得到早胜塬古土壤的膨胀性以及影响其膨胀性的其他相关数据，来为隧道的设计和施工中对古土壤地基承载力的计算和稳定性的验算提供一定的依据。

2 早胜塬工程地质条件

2.1 地理位置及工程地质条件

早胜塬位于甘肃省庆阳市宁县早胜镇。早胜镇距离宁县县城约18 km，交通便利。镇内人民生活富足，商业贸易发达，自古以来就是陇东地区的商业重镇，有着“商贾辐辏之地”的美誉。

早胜塬位于陕甘宁台坳西南部，表层覆盖着深厚的黄土，下伏产状近水平且褶皱和断裂不发育的新近系红黏土[12]。银西铁路线路经过的地层有第四系全新统滑塌错落的堆积层、洪积层，上、中更新统风积黄土和上新近系上新统红黏土。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)[13]判断该地区的抗震设防基本烈度为6度。隧道区地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水，主要分布于黄土塬上部。主要含水层为岩性颗粒较粗、结构疏松、孔隙率高的中更新统黄土。

2.1.1 早胜一号隧道

早胜一号隧道位于甘肃省庆阳市宁县下辖的宫河镇以及榆林子镇境内，穿过黄土沟壑区，地面高程1 030～1 250 m。隧道通过区域地势东北高西南低，周边沟壑较多且相间错落分布，边缘位置破碎程度较高，其中的冲沟下切程度较深，大多呈现“V”字形，同时两岸边坡高而陡，有发生滑坡、溜坍和黄土陷穴等地质灾害的风险。早胜一号隧道最大埋深约205 m，最小埋深56 m。隧道起讫里程DK170＋717.85～DK180＋627.66，全长9 909.81 m，为双线单洞隧道。整座隧道为4.60‰/9 909.81 m的单面上坡。西安端左线DK170＋907.214～DK172＋934.457段2 027.243 m位于R7 000 m的左偏曲线上，银川端左线271.335 m位于R9 000 m的右偏曲线上，其余均位于直线上。

2.1.2 早胜三号隧道

早胜三号隧道位于甘肃省庆阳市宁县下辖的平子镇、良平乡和早胜镇境内，为银西铁路控制性工程。早胜三号隧道穿过黄土沟壑区，地面高程995～1 250 m。隧道通过区域地势北高南低，周围沟梁较多且相间错落分布，其中的冲沟下切较深，大多呈现“V”字形，同时两岸边坡高而陡，有发生滑坡、溜坍和黄土陷穴等地质灾害的风险。早胜三号隧道最大埋深约210 m，最小埋深约10 m。隧道起讫里程DK182＋493～DK193＋665，总长11 171.38 m，为双线单洞隧道，是我国最长的黄土古土壤隧道。整座隧道除进口6.38 m为12‰的上坡外，其余依次为-20‰、-3‰的下坡，进口1 372.79 m位于R9 000的右片曲线上，出口3 030.402 m位于R10 000 m的右偏曲线上，其余均位于直线上。

2.2 第四纪地层划分

早胜塬的第四纪黄土地层主要可划分为4层:早更新世午城黄土、中更新世离石黄土、晚更新世马兰黄土和全新世黄土堆积。其中中更新世离石黄土由多层灰黄色厚层黄土和发育好的红褐色古土壤组成，钙质结核常见于古土壤层的底部[14]。早胜塬中更新世离石黄土地层中的古土壤是本文中取样并研究膨胀特性的对象。

3 古土壤的物理性质

古土壤的基本物理性质决定了其膨胀性质，同时测出土的基本物理性指标也是进行下一步试验的先决条件，根据《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264-2001)[15]先列举古土壤的基本物理性质并进行评价分析。

3.1 取样位置和取样方法

此次勘察在对银西高铁黄土塬区早胜一号隧道和早胜三号隧道进行系统调查的基础上，根据施工进度和研究内容进行了系统的取样及试验工作。取样点主要布置在早胜一号隧道、早胜三号隧道(包含斜井)的开挖断面上(见图1)，共计38组。对试样进行编号(1～38)后，进行试验并得出相应结果(见表1)。由于编号为16，17和38的试样经试验并分析结果数据后，发现取得试样为黄土而并非古土壤，所以在之后的试验数据中并不展示。

图1 取样现场

表1 古土壤物理和膨胀特性

3.2 含水率和干密度

含水率和干密度数据如表1所示，其中早胜一号隧道和早胜三号隧道围岩的含水率在15.59%到17.93%之间，并且在所取断面土样中只有早胜三号隧道1＃斜井(银川方向)一个断面的含水率大于17%。同一横断面，上中下台阶的含水率差值不超过1%，在隧道高度范围内，围岩古土壤含水情况没有太大的变化。上述规律表明，这两个隧道穿过区域的围岩含水率在不同地方存在差异，但相差很小，说明围岩古土壤在该区域的含水率均一。而且这两个隧道的围岩的干密度在1.68 g/cm3到1.86 g/cm3之间。并且围岩的干密度基本上在1.8 g/cm3以上，只有少数几个值较小，说明围岩古土壤在该区域的干密度均一且岩体结实稳定，具备承载高铁隧道通过的能力。可以得知在早胜塬地区，含水率和干密度对不同地点古土壤膨胀性的变化影响较小，在对古土壤地基承载力的计算和稳定性的验算中，可以将含水率和干密度看作相对均一的水平。

3.3 矿物成分

土壤中所含有的黏土矿物以及白云石等成分给予了土壤遇水可以吸水膨胀的特性，从而这些矿物成分的所含比例也就决定了一种土壤的膨胀特性，所以矿物成分在土壤膨胀性评估中起到决定性的作用。于是设计试验来研究早胜塬古土壤矿物成分。

试验方法采用X射线衍射分析法。试验前先处理土样，将各标段取得的古土壤样品用研钵研磨，一边研磨一边用手搓捏土样，直至手指感觉不到颗粒感为止。再在支架的凹槽中放入研磨好的土样，用玻璃片将其压紧实，当土样表面被按压的平整均一时才可进行试验。最后按取样地点对压制好的土样贴上编号，上机进行物质成分分析，得出结果。

试验使用的X'Pert Pro MPD型粉末X射线衍射仪为荷兰帕纳科公司所生产，用来对经过前期处理的古土壤样品进行矿物成分分析。

X射线衍射试验结果(见表1)表明，早胜塬古土壤主要矿物的类型、含量在早胜一号和三号隧道通过的区域内差别不大。其中，含量最多的矿物是石英(43% ～57%)，其次是云母(13% ～18%)、长石(5% ～15%，其中包括钠长石1% ～4%，钾长石4% ～11%)和蒙脱石(11% ～13%)，含量最少的是白云石(1% ～6%)。其中在强膨胀土中含量较高的白云石和黏土矿物在早胜塬古土壤中含量却较低，说明早胜塬古土壤并不具备强烈的膨胀性。

4 古土壤的膨胀特性

在古土壤膨胀性的研究上，借鉴了前人对膨胀土的研究方法，比如张颖钧等对云台山隧道膨胀岩的膨胀特性研究[16]，张连杰等对原状膨胀土的无荷膨胀率的试验分析[17]，以及张雪东等对肯尼亚蒙巴萨地区膨胀土膨胀特性试验研究[18]，设计了自己的试验。

4.1 自由膨胀率

自由膨胀率可用来定性地判别膨胀岩土以及其膨胀势，是评估土壤膨胀性的重要参数，因此设计了自由膨胀率试验来研究早胜塬古土壤的膨胀特性。

如表1所示，早胜一号隧道和早胜三号隧道的围岩古土壤的自由膨胀率基本在40%～65%之间，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112-2013)[19]对早胜塬古土壤的膨胀潜势进行判断，可以得出古土壤的膨胀潜势总体为弱的结论。虽然古土壤这种弱膨胀土不及一些地区的强膨胀土对隧道的危害性大，但若隧道出现明显渗水、股水，使围岩含水量增加，也易导致围岩吸水膨胀，产生衬砌开裂、围岩膨胀突出、岩体坍塌以及隧道底部上拱等病害风险，不容小觑，在设计与施工中也当予以足够的重视程度，保证隧道建设的安全平稳进行。

4.2 无荷膨胀率

膨胀率可用来评价地基的胀缩等级，计算膨胀土地基的变形量以及测定膨胀土的膨胀力，也是评估土壤膨胀性的重要参数，因此设计了无荷膨胀率试验来研究早胜塬古土壤的膨胀特性。

本次研究了共38组试样的膨胀特性，取早胜一号隧道的一个代表性断面的膨胀特性，如图2a所示；取早胜三号隧道的一个代表性断面的膨胀特性，如图2b所示。

图2 无荷载膨胀率与时间关系曲线

如图2所示，早胜一号和三号隧道的围岩古土壤的无荷膨胀率是伴随着时间的推移渐渐增长的，在1 000～1 250 min左右趋于稳定。而且每个标段所取的土样的δt-t关系曲线都有着相似度很高的规律性。根据这一规律，可以大致将古土壤的膨胀变形这一过程划分成3个阶段:

(1)等速膨胀变形阶段。这一阶段内古土壤的膨胀变形速率为三个阶段中最大的。从图2可以看出古土壤的膨胀曲线斜率极大且基本保持不变，最初曲线以接近垂直的方向上升后稍稍减缓以类似斜直线的方式上升。虽然这一阶段持续时间是三个阶段中最为短暂的，但该变形阶段的膨胀变形量却为三个阶段中最大，能占到最终膨胀量的70% ～90%，可以说古土壤试样绝大部分的吸水膨胀变形都是在这个阶段完成的。等速膨胀变形阶段是古土壤膨胀变形发生的主要阶段，该阶段的所产生的膨胀变形很有可能导致隧道围岩的膨胀突出、土体坍塌、衬砌开裂以及隧道底部上拱等病害风险，因此在施工和运营过程中一定要注意渗水，防止古土壤吸水膨胀对隧道造成危害。

(2)减速膨胀变形阶段。这一阶段内古土壤的膨胀速率开始逐渐变小，无荷膨胀率与时间关系曲线的上升速度开始下降，膨胀曲线呈现出向外部凸起的形状，斜率由极大渐渐转向极小。此时古土壤试样中的孔隙渐渐被其所吸收的水分填满，试样吸水速率开始有明显下降，膨胀变形逐渐变得缓慢，但还是产生了一定的膨胀变形，大约能占到最终膨胀量的5%～20%，因此在防治古土壤膨胀造成的危害时，不可疏漏这一阶段。

(3)稳定膨胀变形阶段。这一阶段的膨胀变形速率为三个阶段中最低，无荷膨胀率与时间关系曲线已接近水平，膨胀曲线斜率几乎等于0。随着时间的进一步推移，古土壤试样的膨胀变形趋于稳定，该阶段的膨胀变形量是三个阶段中最少的，普遍占最终膨胀量的不到5%。此时古土壤吸水膨胀已经接近于稳定，膨胀变形量越来越小直至几乎不再发生变化，仅有极其微小的并无法明显测试出的增加，可以视作不再有进一步膨胀的能力。

总体看来，除去极个别的几个点，早胜一号和三号隧道的围岩古土壤的最大膨胀率集中在4%～6%，不同取样地点的古土壤膨胀性近似一致且总体膨胀率不高，没有因为区域变化而产生太大的变化，在设计和施工中可以视作膨胀性相同的弱膨胀土。虽然可以视作相对安全，但在设计与施工中也当予以适当的重视，保证隧道的建设能够安全平稳进行，尤其应当注意古土壤膨胀变形三个阶段各自的特性，积极地预防可能发生的病害，并在病害的早期及时进行处理。