淺析豫西黃土區(qū)公路土石比問題

張永雨

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 鄭州 451450)

河南省黃土主要分布在豫西，包括三門峽盆地及洛陽、孟津、偃師、鞏義、上街、滎陽、鄭州、新鄭、禹州和太行山前部分地區(qū)。豫西黃土區(qū)多屬黃土丘陵、中低山地貌及沖洪積平原，其中黃土丘陵和中低山地貌地勢起伏較大、沖溝發(fā)育、溝深坡陡、溝壑縱橫，路線穿越該區(qū)域時(shí)存在較多挖方段。黃土區(qū)地層中多存在鈣質(zhì)膠結(jié)層或姜石層，相關(guān)規(guī)范對(duì)鈣質(zhì)膠結(jié)層和姜石層的工程分類沒有明確劃分，在公路挖方段施工過程中容易出現(xiàn)土石工程分類[1]爭議，可能會(huì)引起較大的設(shè)計(jì)變更，變更費(fèi)用動(dòng)輒幾百萬，甚至上千萬。因此，對(duì)豫西黃土區(qū)公路挖方段土石分類及土石比問題的研究很有必要。

1 黃土區(qū)地層特征

依據(jù)《中國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)略圖》[2]及河南地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，三門峽盆地黃土屬Ⅲ區(qū)關(guān)中黃土，具自重濕陷性，其它地區(qū)屬Ⅴ區(qū)，其黃土厚度6 m～25 m，濕陷性黃土層厚度4 m～8 m，一般為非自重濕陷性黃土。

豫西黃土分為全新世黃土(Q4)、晚更新世馬蘭黃土(Q3)、中更新世離石黃土(Q2)、晚更新世黃土午城黃土(Q1)。馬蘭黃土(Q3)，淺黃、褐黃色粉土，土質(zhì)均勻，大孔隙發(fā)育，密度較小，具垂直節(jié)理，含少量零星鈣質(zhì)結(jié)核，底部有一層紅色粘土質(zhì)古土壤；離石黃土(Q2)，棕黃，褐色，棕紅色粉質(zhì)粘土夾粘土及灰色鈣質(zhì)結(jié)核層，土質(zhì)密實(shí)，常見成層分布為鈣質(zhì)結(jié)核層，夾有多層紅色古土壤，局部夾砂礫卵石及膠結(jié)砂礫及卵礫石薄層透鏡體；午城黃土(Q1)，主要為棕紅色粘土、棕黃色亞粘土和灰白色鈣質(zhì)結(jié)核層，土質(zhì)密實(shí)無大孔隙，柱狀節(jié)理發(fā)育，鈣質(zhì)結(jié)核含量相對(duì)較少。

豫西黃土中包含較多鈣質(zhì)膠結(jié)[3-4]或姜石，鈣質(zhì)膠結(jié)是含較多鈣質(zhì)礦物質(zhì)在地層沉積的過程中沉淀固結(jié)，并發(fā)生膠結(jié)作用[5-7]而形成的。鈣質(zhì)膠結(jié)呈灰-淺灰-灰白色，硬度較低，小刀容易刻動(dòng)，遇酸劇烈起泡。鈣質(zhì)膠結(jié)在黃土中多分布于離石黃土(Q2)和午城黃土(Q1)中，馬蘭黃土(Q3)中含量較少，分布無規(guī)律性，呈條帶狀分布，厚度一般為0.1 m～2.0 m，厚薄不均，膠結(jié)程度強(qiáng)弱不等，膠結(jié)硬度大小不一。

2 土、石工程分類及存在的問題

土是地殼表面最主要的組成物質(zhì)，是巖石圈表層在漫長的地質(zhì)年代里，經(jīng)受各種復(fù)雜的地質(zhì)作用所形成的松軟物質(zhì)。根據(jù)其地質(zhì)成因分為殘積土、坡積土、崩積土、沖積土、洪積土、風(fēng)積土、湖積土、海積土和冰積土等；根據(jù)顆粒成分分為碎石土、砂土、粉土和粘性土。

巖石通常認(rèn)為由一種或幾種礦物和天然玻璃組成的，具有穩(wěn)定的固態(tài)集合體。按成因分為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖。按堅(jiān)硬程度分為堅(jiān)硬巖、較堅(jiān)硬巖、較軟巖、軟巖及極軟巖。

一般認(rèn)為土石比的分界線為硬土和軟石的分界線，土方包括松土、普通土、硬土，石方包括軟石、次堅(jiān)石、堅(jiān)石，土石比為土方總量除以石方總量。

依據(jù)土石定義及工程分類，山區(qū)基巖面連續(xù)且清晰的地區(qū)，土石工程分類較為清晰，主要存在軟石、次堅(jiān)石及堅(jiān)石的分類爭議，而黃土丘陵區(qū)無明顯基巖面的地區(qū)，土層中存在較多的鈣質(zhì)膠結(jié)層或姜石層，分部不均且無規(guī)律，土石工程分類存在較大的爭議。因此，土石比問題的難點(diǎn)在巖性鑒定及土石工程分類上，項(xiàng)目各參建方所處立場不盡一致，導(dǎo)致各方意見不統(tǒng)一，甚至差別較大。

依據(jù)土石分類及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，土石比[9-11]確定影響因素較復(fù)雜，主要包括地貌類型、土石巖性、土石顆粒大小含量、風(fēng)化程度、膠結(jié)程度、開挖方式、開挖設(shè)備、開挖時(shí)間、土石方招標(biāo)單價(jià)、變更管理規(guī)定等因素。綜上所述，土石比問題的爭議，不僅僅是地質(zhì)問題，還牽扯到開挖方式和工程管理[12-13]等多方面問題。

3 項(xiàng)目各階段土石比的確定

勘察設(shè)計(jì)階段，勘察單位采用地質(zhì)調(diào)查、挖探、鉆探、物探、土工試驗(yàn)等勘探手段，查明沿線地層巖性、風(fēng)化程度等地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)單位依據(jù)地質(zhì)條件及邊坡高度確定挖方段的坡率及平臺(tái)，并進(jìn)一步確定挖方斷面，再結(jié)合沿線地面地形，由測繪軟件計(jì)算挖方段的總工程量[14-16]。依據(jù)地層巖性、顆粒大小及包含物、風(fēng)化程度等判斷土石的工程分類，估算出挖方斷面的土石比，最終估算出土石各自工程量。

項(xiàng)目工可階段采用地質(zhì)調(diào)查手段初步查明沿線地質(zhì)條件，僅以地質(zhì)調(diào)查點(diǎn)或淺勘點(diǎn)地層估算土石比，勘探手段單一，單點(diǎn)代表性較差，估算出的土石比及工程量與實(shí)際情況的誤差較大。

項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)階段是在工可成果基礎(chǔ)上進(jìn)一步查明沿線的地層巖性、風(fēng)化程度等地質(zhì)條件，勘探手段多樣化，地層劃分進(jìn)一步細(xì)化，依據(jù)鉆探物探成果繪制成地質(zhì)縱、橫斷面圖，并據(jù)地質(zhì)縱、橫斷面圖及地面線估算出不同斷面的土石比。地質(zhì)斷面圖在繪制過程中，存在鉆孔偏少、鉆孔間距過大、物探推測不精確等因素，導(dǎo)致估算出的土石比及工程量與實(shí)際情況有一定誤差。從工可階段到初步設(shè)計(jì)階段，再到施工圖設(shè)計(jì)階段，勘探工作量逐步增加，地層斷面圖逐步細(xì)化，土石比的確定也是循序漸進(jìn)逐步細(xì)化逐漸準(zhǔn)確的過程。

施工階段是依據(jù)施工圖設(shè)計(jì)文件進(jìn)行施工建設(shè)階段，開挖過程既是對(duì)勘察設(shè)計(jì)文件確定土石比的一個(gè)驗(yàn)證過程，又是施工中開挖難易程度的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程。開挖后，坡面的土石比一目了然，土石比計(jì)算可采用斷面法確定，選擇多個(gè)有代表性的橫斷面計(jì)算土石比。實(shí)際施工過程中，監(jiān)理及施工單位主要依據(jù)2018年版《公路工程標(biāo)準(zhǔn)施工招標(biāo)文件》[8]路基中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行判定，在開挖過程中，動(dòng)態(tài)鑒定土石工程分類，動(dòng)態(tài)量測土石工程量，最終確定土石方工程量，這是確定土石比最重要的環(huán)節(jié)。

在建設(shè)項(xiàng)目審計(jì)階段，若存在土石比變化較大的變更，審計(jì)過程非常嚴(yán)格，變更的原因及依據(jù)都要十分充足，否則可能會(huì)追回已付的變更費(fèi)用，同時(shí)也會(huì)對(duì)責(zé)任單位進(jìn)行追責(zé)或處罰。

秦明月聽到表揚(yáng)跟聽到批評(píng)一樣，臉上仍然不見絲毫變化，又說：“但是這案子我卻感到越來越難辦，似乎線索太多了。”

公路項(xiàng)目經(jīng)過工可、勘察設(shè)計(jì)、施工等多個(gè)階段，參與人員有地質(zhì)、路線、監(jiān)理、施工、業(yè)主等多專業(yè)人員，這一過程中時(shí)間與空間跨度較大，且各參建方的立場不同。因此，土石比判定易產(chǎn)生爭議，如何快速合理地解決這一問題，一直以來都是公路建設(shè)項(xiàng)目的難點(diǎn)。

4 土石比變更實(shí)例

以豫西黃土區(qū)某高速公路為例，K1+700～K5+000段地形地貌為黃土丘陵，丘陵多呈渾圓狀，沖溝發(fā)育，切割深度20 m～50 m，相對(duì)高差較大，地形起伏較大，深挖路段4處，長度共計(jì)2 747 m，挖方段最大挖方深度為10.3 m～25.6 m，見表1。

表1 挖方段基本情況

在挖方深度內(nèi)，揭露地層主要為第四系中更新統(tǒng)地層(Q2)，上部硬塑-堅(jiān)硬狀粉質(zhì)粘土、粘土，上部含少量鈣質(zhì)結(jié)核，下部含大量姜石及鈣質(zhì)膠結(jié)層，其中K4+200～K4+640段地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 K4+200～K4+640段地質(zhì)縱斷面

勘察設(shè)計(jì)階段依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)，確定土石比例為50∶50，無次堅(jiān)石。施工招標(biāo)階段，施工單位中標(biāo)的挖土方單價(jià)2.78元/m3，挖石方(軟石)單價(jià)12.13元/m3，挖石方(次堅(jiān)石)單價(jià)25.63元/m3，土方和石方開挖單價(jià)相差較大，達(dá)4～9倍。在施工過程中，土石方工程進(jìn)度緩慢，開挖難度較大，成本較高，姜石層或鈣質(zhì)膠結(jié)層多采用破碎錘破除后外運(yùn)，施工單位在開挖過程中做了詳細(xì)記錄，包括單軸抗壓強(qiáng)度、地質(zhì)部面編錄及照片等工作，提出變更土石比為30.1∶69.9，其中軟石和次堅(jiān)石比例為58∶42，全標(biāo)段土石比變更費(fèi)用近1 500萬元。

業(yè)主接到該變更后，責(zé)令參建五大責(zé)任主體派出專業(yè)技術(shù)人員和現(xiàn)場設(shè)計(jì)代表組成專項(xiàng)核查小組對(duì)變更進(jìn)行核查，主要依據(jù)2011版《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[1]和2018年版《公路工程標(biāo)準(zhǔn)施工招標(biāo)文件》[8]。通過現(xiàn)場情況的勘查，該挖方段地層復(fù)雜多變，土石類型主要為硬土、軟石，并在現(xiàn)場核查6個(gè)典型橫斷面，斷面存在多層土，依據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況分為9層，土層分類見表2，工程分類包括普通土、硬土和軟石，坡面存在多層不規(guī)則鈣質(zhì)膠結(jié)層，其中一個(gè)坡面如圖2所示。

表2 土層分類

圖2 不規(guī)則鈣質(zhì)膠結(jié)層

依據(jù)現(xiàn)場核查成果，估算6個(gè)斷面的土石比，各斷面土石比情況見表3，其中K4+203地質(zhì)橫斷面如圖3所示，K4+536地質(zhì)橫斷面如圖4所示。

表3 各斷面的土石比

從表3可知，由各斷面的土石比估算該標(biāo)段總體土石比約為52∶48，與勘察設(shè)計(jì)文件50∶50基本一致，而施工單位申報(bào)總體土石比30.1∶69.9，與核查結(jié)果相差懸殊，勘察設(shè)計(jì)單位和施工單位對(duì)地層歸類有較大的分歧，建設(shè)方難以判斷，因此土石比變更遲遲得不到審批。最終交通廳組織專家進(jìn)行審查，參考各參建方意見，結(jié)合開挖過程的難易程度，建議把表2中厚度大于20 cm的c1～c4地層劃為軟石，最終核定全標(biāo)段的土石比為43.5∶56.5。

圖3 K4+203地質(zhì)橫斷面

圖4 K4+536地質(zhì)橫斷面

對(duì)比圖3和圖4可知，豫西黃土區(qū)姜石或鈣質(zhì)膠結(jié)層廣泛分布，但厚度及埋深差異較大，無明顯的規(guī)律性，從而使不同路段的地質(zhì)橫斷面存在較大的差異，單一斷面土石比代表的路段有限，造成了土石比劃分段落存在不確定性，因此，在斷面的選擇、路段的劃分、地層巖性判斷、土石分類過程中會(huì)存在一定的主觀因素。

5 結(jié)束語

1) 通過對(duì)影響土石比估算因素的分析，挖方段土石比問題與地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)、施工招投標(biāo)、施工開挖方式、變更管理等方面有關(guān)，土石比初步確定在地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)時(shí)段，但土石比核定在動(dòng)態(tài)施工過程中。

2) 勘察設(shè)計(jì)階段公路挖方段宜采用地質(zhì)調(diào)繪、挖探、鉆探、物探等勘探手段，但限于勘探手段相對(duì)單一、鉆機(jī)到位困難、鉆孔間距較大、物探推測不精確等因素，鉆探及物探成果不能完全反映挖方段的整體地質(zhì)條件。因此，施工過程中動(dòng)態(tài)分段核定土石比是一種切實(shí)可行的方式。

3) 設(shè)計(jì)單位在確定土石比的過程中，應(yīng)充分考慮2018年版《公路工程標(biāo)準(zhǔn)施工招標(biāo)文件》及工程經(jīng)驗(yàn)，制定合理的土石比變更管理技術(shù)細(xì)則，應(yīng)及早跟蹤并及時(shí)處理。在施工核查階段，可采用斷面法，選擇有代表性的地質(zhì)橫斷面，同時(shí)土石比變更應(yīng)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全線或全標(biāo)段核查，局部路段可能存在負(fù)變更。

4) 依據(jù)工程實(shí)例，豫西黃土區(qū)挖方段土層劃分應(yīng)細(xì)分，尤其是鈣質(zhì)膠結(jié)層和姜石層，建議厚度大于20 cm的姜石層及鈣質(zhì)膠結(jié)層單獨(dú)分層，姜石含量大于50%的土層，建議定為軟石；厚度大于20 cm的鈣質(zhì)膠結(jié)層，建議依據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度定為軟石或次堅(jiān)石。