河南濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路施工技術(shù)研究*

趙少強(qiáng)

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

我國西起祁連山、東至太行山脈、南抵秦嶺、北至長城區(qū)域分布有大面積黃土，總面積640 000km2， 尤其以陜西、山西、甘肅、寧夏、青海5個省區(qū)最為典型，是世界上最大的黃土分布區(qū)[1-3]。尤其是中華人民共和國成立以來，我國對黃土成因、分布、工程特性做了大量研究工作，但研究重點(diǎn)主要集中在陜西、甘肅、山西等典型黃土地區(qū)，對河南黃土尤其是河南省臺塬和河流高階地的黃土研究資料還比較有限[4]。鄭西高速鐵路是我國也是世界上長距離穿越濕陷性黃土區(qū)的第一條高速鐵路，也是中國中西部地區(qū)第一條投入運(yùn)營的時速350km高速鐵路，正線全長456km，沿線大部分區(qū)段穿越濕陷性黃土區(qū)，在此之前，國內(nèi)外濕陷性黃土地區(qū)修建高速鐵路的基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐完全空白，能否攻克這一世界性難題是關(guān)系到中國在廣大黃土地區(qū)成功修建高速鐵路的關(guān)鍵性技術(shù)問題，對中國成功建設(shè)高速鐵路網(wǎng)至關(guān)重要[5-6]。為確保鄭西高速鐵路的成功修建，建設(shè)過程中除采用常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查、鉆探、挖探、遙感、室內(nèi)外試驗(yàn)和物探等常規(guī)勘察方法外，為更加客觀評價沿線黃土的濕陷性，還在沿線開展了9處大型現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)，取得了寶貴的試驗(yàn)資料，巖土工程勘探的廣度及深度前所未有。研究發(fā)現(xiàn)，鄭西高速鐵路沿線濕陷性黃土勘察結(jié)果與以往認(rèn)識有明顯差別，主要表現(xiàn)在濕陷性黃土厚度、地基濕陷等級劃分、濕陷性黃土分區(qū)邊界等問題的認(rèn)識與傳統(tǒng)認(rèn)識存在一定差別。因此，本文結(jié)合鄭西高速鐵路建設(shè)，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)和大型現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)，并結(jié)合大量地質(zhì)勘察和施工資料，對鄭西高速鐵路河南段黃土分布特征、濕陷變形特性、濕陷敏感性等工程特性進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。在此基礎(chǔ)上，針對濕陷性黃土勘察、地基處理、黃土隧道進(jìn)出口施工技術(shù)、樁基負(fù)摩擦力確定等問題提出了工程對策，研究成果可為該地區(qū)后續(xù)工程設(shè)計和施工提供參考。

1 河南黃土類型及分布特征

1.1 黃土類型

1)河南境內(nèi)Q1～Q4黃土均有出露[7]，其中以新黃土為主，老黃土也有出露。

2)全新世(Q4)黃土大多分布于黃河及其支流洛河、伊河、澗河、渭河及其支流等河谷一級階地與河漫灘的廣大區(qū)域。成因以沖、洪積為主，在階地交接處和斜坡的坡腳堆積有坡積黃土。

3)晚更新世(Q3)主要為風(fēng)積、沖洪積與坡積黃土，廣泛分布于山前平原、黃河二級階地、黃土臺塬和鞏義老城以東的黃土丘陵。山前平原與階地以沖洪積為主，表層有風(fēng)積黃土但厚度不大，黃土臺塬及丘陵地帶以風(fēng)積土為主。

4)中更新世(Q2)老黃土，主要出露于新安縣西南部、宜陽縣北部、秦押腰至海上橋及張茅鎮(zhèn)至三門峽之間。

5)早更新世黃土(Q1)一般夾古土壤，局部可見黏性土、砂類土、碎石類土，主要出露在渭河支流溝谷邊緣和張茅鎮(zhèn)至三門峽東的丘陵、低山地段溝谷底部，與本線關(guān)系不甚密切。

1.2 分布特征

鄭西高速鐵路沿線黃土主要分布在黃河及其支流的階地、丘陵和黃土臺塬區(qū)。因其沉積的古氣候與古地理環(huán)境差異較大，工程地質(zhì)條件也明顯不同，具有分布范圍廣、成因類型多、成層情況復(fù)雜、厚度變化大等特點(diǎn)。

1)鄭州至洛陽段 地勢較平坦，沖洪積黏質(zhì)Q3黃土廣泛分布于山前傾斜平原與河流二級階地和鞏義老城以東的黃土丘陵和巖石丘陵區(qū)，黃土密實(shí)度偏大，含水率偏高。大部分為Ⅰ級非自重濕陷性黃土，少部分為Ⅱ級自重濕陷性黃土。新安縣西南部和宜陽縣北部等個別黃河高階地出露有Q2老黃土，主要為棕黃、磚紅、暗紅、褐紅色黏質(zhì)黃土，由下往上顏色變淺，砂質(zhì)成分增加，無層理，結(jié)構(gòu)密實(shí)，垂直節(jié)理較發(fā)育，地表蟲孔較發(fā)育，局部夾有姜石層及卵石層透鏡體。

2)洛陽至張茅鎮(zhèn)段 為黃土丘陵區(qū)，Q2老黃土分布廣，厚10～60m，含數(shù)層古土壤層，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核層，一般無濕陷性，局部地區(qū)基巖出露。

3)張茅鎮(zhèn)至三門峽西 為黃土丘陵、臺塬區(qū)，上部覆蓋Q3砂質(zhì)黃土，淡黃、淺黃色，土質(zhì)均勻，含少量鈣質(zhì)結(jié)核及蝸牛殼化石，發(fā)育肉眼可見的大孔隙，一般厚0～30m，局部較厚，斷續(xù)分布，具有Ⅰ級非自重至Ⅱ級自重濕陷性；下部以第四系中更新統(tǒng)(Q2)黏質(zhì)黃土夾砂卵礫石層透鏡體、黏質(zhì)黃土為主，部分為砂質(zhì)黃土及砂層透鏡體，含多層古土壤層，棕紅、棕黃色，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核層(姜石層)，厚10～150m，個別深溝底有基巖出露。

4)三門峽至省界 GB 50025—2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》[8]中有關(guān)三門峽地區(qū)的黃土描述為高階地黃土層厚度為80m，濕陷性黃土厚度為10～15m， 濕陷系數(shù)平均值為0.043，自重濕陷系數(shù)為0.005～0.042，地基濕陷等級一般為Ⅱ～Ⅲ，在缺乏實(shí)測資料時，計算自重濕陷量修正系數(shù)取0.90。鄭西高速鐵路在本段線路穿行于黃河高階地和黃土臺塬區(qū)，黃土連續(xù)大面積分布，厚度可達(dá)200m，濕陷性黃土厚度較大，10～25m不等，自重濕陷量達(dá)50～60cm，多具Ⅲ，Ⅳ級自重濕陷性，與《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)描述有較大差距。主要原因是在鄭西高速鐵路等重點(diǎn)線性工程修建前，《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)河南西部黃土的研究和工程實(shí)踐資料主要收集和整理于建筑物集中的城鎮(zhèn)區(qū)，而對于該區(qū)的黃土臺塬、丘陵和高級地等地貌單元黃土的濕陷性還比較欠缺。因此，三門峽附近黃土高級地黃土有其特殊性，在工程建設(shè)中應(yīng)引起足夠重視，對甲類等重要工程建筑可通過現(xiàn)場試坑浸水試驗(yàn)評價濕陷性。

2 河南黃土濕陷性

2.1 黃土濕陷變形特征

鄭西高速鐵路沿線各工點(diǎn)黃土孔隙比和濕陷系數(shù)如圖1所示。由圖1可知，孔隙比為0.902～1.067，濕陷系數(shù)為0.025～0.042，各場地具有濕陷性黃土。

鄭西高速鐵路沿線各試驗(yàn)工點(diǎn)黃土自重濕陷系數(shù)如圖2所示。由圖2可知，鄭西高速鐵路沿線黃土自重濕陷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.009～0.029，其中DK58+320試驗(yàn)場地與DK92+200試驗(yàn)場地分別為0.013，0.009，均<0.015，為非濕陷性黃土。DK246+500試驗(yàn)場地位于黃土塬區(qū)，自重濕陷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最大，為0.029；DK287+000，DK300+800，DK315+650，DK346+950，DK354+150試驗(yàn)場地均屬于河流階地區(qū)，由東向西自重濕陷系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值由0.017逐漸增大至0.028，均為濕陷性黃土。

圖2 鄭西高鐵沿線各試驗(yàn)工點(diǎn)黃土自重濕陷系數(shù)

濕陷變形為作用于地基上的荷載不變，僅由于地基浸水引起的附加變形。三門峽陜縣張灣鄉(xiāng)某試坑場地在浸水過程中的濕陷速率隨時間變化曲線和累計濕陷量隨時間變化曲線分別如圖3，4所示。

圖3 濕陷速率隨時間變化曲線

圖4 累積濕陷量隨時間變化曲線

從圖3，4可以看出：

1)在持續(xù)浸水條件下，黃土地基自重濕陷變形有逐步向下和逐步充分濕陷的過程，地基濕陷一般要經(jīng)歷穩(wěn)定不變→緩慢濕陷→快速濕陷→緩慢濕陷→濕陷穩(wěn)定階段。在該過程中，黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐步由弱化到破壞，引起黃土顆粒位移和密度提高，直至新的強(qiáng)度形成。黃土濕陷等級越高，該過程歷時越長；停水后本已穩(wěn)定的下沉又加速直至穩(wěn)定，這是地基在停止浸水后伴隨著孔隙水壓力的消散而發(fā)生的地基固結(jié)變形。

2)試坑下面濕陷變形基本呈鍋底狀，最大值出現(xiàn)在中部，說明了邊界效應(yīng)的影響。黃土濕陷對工程的危害均屬于此情況，即均為局部浸水造成的濕陷，因此，邊界效應(yīng)對濕陷的影響有普遍意義。

2.2 黃土濕陷敏感性

黃土濕陷變形對建筑物危害主要取決于2個因素：濕陷量、濕陷敏感程度。有關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，濕陷類型和濕陷等級不能完全表達(dá)濕陷性黃土的全部工程性質(zhì)，對于自重濕陷性黃土，還應(yīng)研究濕陷敏感性。黃土場地濕陷敏感性為濕陷敏感程度的指標(biāo)，是自重濕陷性黃土的一個重要特性[9]。對于濕陷量(等級)相同但敏感性不同的自重濕陷性黃土應(yīng)區(qū)別對待。

黃土濕陷敏感性由多方面因素決定，主要有黃土成因時代、自重濕陷性土層埋藏深度、自重濕陷量、土粒度、易溶鹽及黏粒含量、土滲透性等[10]。

沿線某浸水試驗(yàn)濕陷變形時域如圖5所示。由圖5可知，三門峽地區(qū)黃土在受水浸濕狀態(tài)下存在濕陷變形滯后性，自重濕陷變形較遲緩，完全浸水7d，濕陷變形百分比<20%；完全浸水8～9d，濕陷變形百分比為40%；完全浸水10～13d，濕陷變形百分比為60%；完全浸水14～26d，濕陷變形百分比為80%；完全浸水27～43d，濕陷變形百分比為90%；完全浸水44～47d，濕陷變形百分比為100%。因此，河南黃土濕陷敏感性整體較弱，但由東向西地基敏感性逐步增強(qiáng)。

圖5 三門峽黃土浸水濕陷時域

2.3 分區(qū)界限及自重濕陷量修正系數(shù)

3 濕陷性黃土地區(qū)高速鐵路工程對策

3.1 黃土勘察和評價

黃土工程性質(zhì)受所處地貌和成因影響較大，即使距離很近的2個黃土場地濕陷性也可能存在明顯差異，對濕陷性黃土的勘察應(yīng)綜合采用滿足規(guī)范要求的地質(zhì)調(diào)查、鉆探和取樣試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行，同時每個地貌單元必須設(shè)置一定數(shù)量的探井，取原狀樣通過相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行評價和驗(yàn)證。黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土基本物理力學(xué)指標(biāo)

3.2 地基處理措施

由于高速鐵路列車行車速度快，對線路平順性要求很高，高速鐵路工后沉降要求≤5mm[11]。濕陷性黃土工程性質(zhì)復(fù)雜，為滿足無碴軌道對工后沉降的嚴(yán)格要求，必須對地基進(jìn)行處理，以消除地基土的濕陷性，提高地基承載力，并最終控制路基總沉降[12-13]。對于自重濕陷性黃土場地高速鐵路而言，需將基礎(chǔ)底面以下全部濕陷性黃土層進(jìn)行處理。具體工程中應(yīng)綜合考慮地基處理方法的工程效果、適用性和經(jīng)濟(jì)性，選擇最優(yōu)的地基處理方案。

1)濕陷性黃土厚度<5m時，采用強(qiáng)夯法，并在地基表面設(shè)置0.5m厚二八灰土墊層(路塹地段需在墊層頂面鋪設(shè)1層二布一膜土工布)。

2)濕陷性黃土厚度為5～15m地段，采用灰土(或水泥土)擠密樁。處理后在樁體以上部位設(shè)置0.5m厚二八灰土墊層(路塹地段需在墊層頂面鋪設(shè)1層二布一膜土工布)。

3)當(dāng)濕陷性黃土層厚度為15～25m時，地基處理有難度，建議采用孔內(nèi)柱錘沖擴(kuò)樁。處理后在樁體上部設(shè)置0.5m厚二八灰土墊層。

4)濕陷性黃土厚度>25m且地基處理工程難度大、費(fèi)用高或路基工后沉降難以滿足鋪設(shè)無碴軌道要求時，可采用以橋代路或樁板結(jié)構(gòu)、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、樁筏結(jié)構(gòu)等新型路基。

3.3 黃土區(qū)隧道進(jìn)出口施工技術(shù)

1)新黃土承載力低，造成開挖過程中拱架下沉量過大，地面容易出現(xiàn)縱向開裂，產(chǎn)生錯臺，嚴(yán)重的會造成冒頂。設(shè)法提高拱腳部位黃土的承載力成為關(guān)鍵，可采取直接加固拱腳下一定范圍內(nèi)的黃土、擴(kuò)大拱腳支撐面積或加設(shè)鎖腳錨桿的方法加以解決。

2)拱頂沉降易引發(fā)隧道上部一定范圍的黃土結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低[14]。為減少黃土結(jié)構(gòu)破壞，應(yīng)及時進(jìn)行支護(hù)，以盡量縮短可能產(chǎn)生變形的時間。及時支護(hù)包括開挖最前部榀架的及時支撐和一次襯砌的及時封閉成環(huán)。

3)對于隧道進(jìn)出口的新黃土地區(qū)，如地基黃土具有濕陷性或變形不能滿足沉降控制要求，則需采取有效方法進(jìn)行地基加固，如擠密樁、CFG樁等。但需注意：①加固過程中不能使用過量水或稀漿，以免產(chǎn)生附加沉降；②要采用可滿足空間狹小條件下可進(jìn)行施工的小型化機(jī)械；③施工中不能產(chǎn)生影響隧道整體安全的振動。

4)黃土區(qū)隧道進(jìn)出口一般位于深大沖溝、臺塬、高階地自然斜坡處。這些斜坡高度往往很大，而且多發(fā)育黃土陷穴、塌落體、小型古滑坡等不良地質(zhì)體。施工前對隧道進(jìn)出口一定范圍應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，查明不良地質(zhì)體分布、規(guī)模、危害程度等，采取相應(yīng)措施。與此同時，隧道施工前，洞頂一定范圍應(yīng)做好防排水，以保障仰斜坡和隧道掘進(jìn)的安全。

3.4 樁基正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)確定

對于設(shè)置在大厚度自重濕陷性黃土層內(nèi)的橋梁樁基，正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置和摩阻力大小是影響設(shè)計參數(shù)的關(guān)鍵因素，為客觀判定負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置和摩阻力大小，應(yīng)對此類橋梁進(jìn)行專門的工點(diǎn)勘察，加強(qiáng)對濕陷性黃土的勘探工作。正負(fù)摩阻力中性點(diǎn)在樁受力過程中有一定變化，對中性點(diǎn)影響最為關(guān)鍵的是自重濕陷性黃土下限位置[15-16]。因此，自重濕陷性黃土下限對樁長設(shè)計影響很大。建議在黃土區(qū)工程勘察中除了查清場地濕陷類型、地基濕陷等級等要素外，還要對濕陷土層下限深度做出客觀評價，以便確定經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計樁長。

4 結(jié)語

1)河南境內(nèi)自上而下依次分布有全新統(tǒng)黃土、上更新統(tǒng)黃土和中更新統(tǒng)黃土，其中全新統(tǒng)黃土、上更新統(tǒng)黃土具有弱-中等濕陷性，黃土濕陷敏感性較弱，中更新統(tǒng)黃土一般不具有濕陷性。

3)河南西部黃河高階地濕陷性黃土層厚10～25m，自重濕陷量達(dá)50～60cm，多具Ⅲ，Ⅳ級自重濕陷性。這與《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)描述有較大差距，在工程建設(shè)中應(yīng)引起足夠重視。

4)在鐵路、公路等大型基礎(chǔ)設(shè)施選線、勘察、設(shè)計和施工過程中，應(yīng)重視對河南黃土濕陷性的分析和研究，在此基礎(chǔ)上因地制宜采取合理的處理措施。