隧道洞渣在改良路基中的應用

摘要：文章以巴平高速公路工程高液限土路基為研究對象，提出采用換填法，以隧道洞渣為原材料對高液限土進行換填，并通過試驗探究隧道洞渣改良高液極限土的力學性能。結果表明：不同摻量隧道洞渣可顯著提高土體的強度，且15%為隧道洞渣摻量的最佳值，可以顯著提高路基土體性能。同時，對隧道洞渣改良土在15%摻量下路基邊坡穩定性進行了數值模擬，進一步驗證了利用隧道洞渣改善路基土性能的可行性。研究結果可為類似工程提供指導。

關鍵詞：隧道洞渣；路基；力學性質；數值模擬

中圖分類號：U416.214

0 引言

高液限土作為一種軟土，在我國南方山區公路路基施工中經常遇到。通常表現出高含水量、高孔隙率、低滲透性和高壓縮性的特點。目前針對高液限土的改善進行了大量研究。張軍輝等［1］分析了摻砂對高液限土承載力的影響，并基于云羅高速公路確定了最佳摻砂比例。但是，如果使用改良的高液限土壤作為路基填料，對環境造成嚴重破壞，且需要大量開采河砂。黃偉等［2］通過實驗發現，在高液限土壤中添加石灰會導致其液限、塑性指數和膨脹性降低。袁政成等［3］研究了液體/塑性極限、自由膨脹、CBR和高液體極限土壤浸潤度與生石灰混合比之間的關系。齊昌洋等［4］研究水泥對高液限土的影響，發現水泥混合可以顯著降低高液限土親水性，增加高液限土壤的壓實度和CBR值。但石灰或水泥在高液限土壤中完全反應需要很長時間。此外，石灰和水泥相對昂貴，會導致建筑成本的高增長。事實上，山區隧道會產生大量隧道洞渣，在不污染環境的情況下處理大量隧道洞渣仍然是一項具有挑戰性的任務。隧道洞渣具有與建筑和拆除廢物相似的特性，在高液限土壤中使用隧道洞渣具有一定可行性。這種綠色環保技術既能解決隧道洞渣的處理問題，又能提供性能更高強度的路基填料，在公路路基實踐中得到了越來越多的推廣。然而，目前對隧道洞渣改良高液限土的力學性質和穩定機理尚未進行全面系統的研究。

基于此，本文以巴平高速公路為工程背景，探討了隧道洞渣改良高液限土在路基中應用的可行性。對高液限土的物理力學性質進行了一系列室內試驗，確定了混合土中隧道洞渣的最佳摻量，并采用數值方法分析了隧道洞渣改良土路基邊坡的穩定性和路基沉降。

1 工程背景

巴平高速公路位于廣西。該高速公路主線全長75.084 km，采用雙向六車道高速公路標準，設計速度為120 km/h，路基寬度為34 m，包括49座橋梁和12座隧道，橋隧比約為34%，隧道棄渣達146.6萬m3。該公路路基長度約為50 km，其中高液限土的路基長度達6.35 km，約占路基總長度的12.7%。本項目碳酸巖區高液限土主要由灰巖等風化殘積而成，在碎屑巖兩高土主要是泥巖風化成的黏土，多分布于地表，厚度一般較薄，約為1～2 m，具有高含水率、高液限（gt;50%）、高塑性指數及高孔隙比的性質，這類土具有難壓實、壓縮性大、壓縮變形穩定時間較長，且強度低（CBRlt;3.0%）等特性，不能直接作為路基填料使用。在這個項目中，對于工程師來說，處理如此大規模的高液限土路基是一個非常困難的問題?？紤]到隧道中產生的大量高強度的隧道洞渣，利用這些隧道洞渣來改善高液限土的性能，這不僅解決了高液限土基層的問題，也為隧道洞渣的再利用提供了一個解決方案。隧道最大覆土深度達201 m，采用爆破開挖的方法，使隧道洞渣土可以更好地用于改善基層土質性能，且隧道提取的隧道洞渣主要由中風化粉砂巖組成，具有良好的力學性能。本文采用換填法，選用隧道洞渣換填高液限土路基。

2 高液限土物理力學性能

土壤的顆粒組成決定了其結構特征和物理力學性能，是土壤分類的重要指標。為此，首先對高速公路高液限土進行了顆粒分析試驗。根據《公路工程土壤試驗方法》（JTG3430-2020）［5］，本次顆粒分析試驗使用了2 000 g土壤樣品。土壤樣品采用粗篩和細篩兩種處理工藝。具體步驟如下：（1）將2 mm、5 mm、10 mm、20 mm和40 mm不同粒徑的篩從下到上堆疊在一起，并將其放置在振動臺上進行粗篩分析；（2）將粒徑為0.075 mm、0.25 mm、0.5 mm、1 mm和2 mm的篩子從下到上堆疊，并將其再次放置在振動臺上，以便對剩余的土壤樣品進行細篩；（3）稱量每個篩子中的剩余土壤，并記錄其在總質量中的百分比。試驗結果如表1所示。從表1可以看出，土壤樣品中細粒摻量（粒徑lt;0.075 mm）約為75.9%；砂（粒徑為0.075～2 mm）占11.6%，礫石（粒徑為2～10 mm）占7.4%。根據《土的分類標準》（GBJ145-90），巴平高速公路高液限土可歸類為細粒土。

3 隧道洞渣改良高液極限土力學性能

3.1 剪切試驗

采用5%、10%、15%、20%和25%等不同摻量隧道洞渣改良高液限土的內聚力和內摩擦角?？紤]到土壤中的隧道洞渣，使用GDS大型直剪儀對改良土壤樣品進行了剪切試驗。樣品尺寸為300 mm×300 mm×150 mm。試驗結果如圖1所示。

圖1為改良土壤的內聚力和內摩擦角隨隧道洞渣摻量和壓實度的變化規律。在相同的隧道洞渣摻量條件下，內聚力和內摩擦角隨壓實度的增加而增大。隨著隧道洞渣摻量的增加，改良高液限土的內聚力呈下降趨勢，但內摩擦角隨隧道洞渣摻量的增加而增大。當隧道洞渣摻量lt;15%時，內聚力的降低率處于相對較低的水平。相反，內摩擦角迅速增加。當隧道洞渣摻量gt;15%時，內聚力迅速下降，但內摩擦角緩慢增加。

研究發現，在改良的高液限土壤中，隧道洞渣的摻入提高了土壤骨架的摩擦力，而細顆粒主要有助于土壤的內聚力。當隧道洞渣摻量增加時，細顆粒摻量繼續減少，導致內摩擦角增加，內聚力降低。假設高液限土壤中隧道洞渣摻量應有一個合理的閾值η。如果隧道洞渣摻量lt;η，則改良土的抗剪強度以細顆粒為主。內聚力基本不變，內摩擦角隨隧道洞渣摻量的增加而顯著增加。這將導致改良高液限土壤的抗剪強度增加。一旦隧道洞渣摻量gt;η，它對土壤的抗剪強度起著越來越大的作用。盡管內摩擦角仍隨隧道洞渣摻量的增加而增加，但與內聚力的減少相比，增加值非常有限。因此，改良的高液限土的抗剪強度通常呈下降趨勢。根據圖1的結果，可以確定為巴平高速公路的最佳隧道洞渣摻量為15%。

3.2 承載比（CBR）試驗

本節介紹了隧道洞渣改良高液限土的承載比試驗結果，測試結果如圖2和圖3所示。從圖2、圖3可以看出，隨著隧道洞渣摻量的增加，可以獲得更高的CBR和更小的膨脹率。這是因為未經處理的高液限土壤中的粗顆粒含量非常低，且分散在土壤中；添加隧道洞渣前，土壤骨架效應不明顯，土壤完整性差，承載力低；高液限土的空間結構通過隧道洞渣重新排列；隧道洞渣可以充當土壤骨架，并在這些粗顆粒周圍填充細顆粒，從而形成密實的礫石土結構，大大增強土壤結構強度。此外，從圖2和圖3還可以看出，當隧道洞渣的摻量lt;15%時，CBR大大增加，膨脹率隨含量的增加而明顯降低。然而，如果該摻量gt;15%，改良土壤的CBR變為緩慢增加趨勢，膨脹率略有下降。這表明，在土壤中進一步添加隧道洞渣不會對這兩個參數產生顯著影響。

根據《公路路基設計規范》（JTG-D30-2015）［6］，隧道洞渣摻量為10%的改良高液限土在壓實度為93%的情況下，可以滿足下部路基的最低強度要求。在壓實度為94%的條件下，隧道洞渣摻量為10%的改良土可以滿足上部路基的最低強度要求。然而，在這種情況下無法實現足夠的安全儲備。在壓實度為96%的條件下，隧道洞渣摻量為15%的改良土可以滿足下部和上部路基的最低強度要求，同時顯示出較高的強度。

4 數值模擬

4.1 模型和參數

為了進一步驗證公路基層采用隧道洞渣土改良高液限土的可行性，對基層邊坡的穩定性和基層的長期沉降進行了數值模擬。在數值計算中使用了GeoStudio2018軟件。選擇公路的一個試驗段進行分析。由于對稱性，在計算中使用了一個半模型［7］，如圖4所示?；鶎拥奶钔粮叨葹?2 m，頂部寬度為27 m，坡度為1∶1.5，基礎寬度為34 m。根據地質調查，地下水位于地表下3 m。土層從表面到底部可分為亞黏土層、殘留黏土層、強風化硅質砂巖層和弱風化硅質砂巖層。弱風化硅質砂巖層位于地表下20 m處?；鶎犹钔翆ζ渥冃蔚挠绊懣梢院雎圆挥?。選擇A、B、C、D、M和N點作為監測點，其坐標分別為（13.5，12）、（0，12）、（31.5，0）、（0，0）、（9，-5）和（9，3）。數值模型的底部是完全固定的，其左右兩邊是水平固定的，可以產生垂直位移。假設底層只在坡面上排水，排水邊界壓力等于大氣壓力。

4.2 隧道洞渣土改良的高液限土的基層沉降

如圖5所示為固結期結束時、運行一年后和運行兩年后路基的位移云圖。通過圖5可以發現，路基位移幾乎在固結期間完成。運營期間，路基發生了非常小的位移。此外，路基表面的不均勻位移水平很低。在固結期間，B點的沉降量約為10 cm，這表明應保留足夠的變形量，路基需要填充至12.10 m的高度，且運行一年和兩年后，路基表面的最大不均勻沉降均可控制在lt;3 cm，滿足規范要求。因此，根據數值模擬結果，可以得出結論，利用隧道洞渣改良的高液限土作為公路路基填料是可行的。

5 隧道洞渣改良高液限土在隧道路基中的應用

采用隧道洞渣摻量為15%的改良型高液限土作為公路的路基填筑材料，試驗段總長度為100 m，從K58+300的起點到K58+400的終點。對改良后的土質路基沉降進行了動態監測。動態監測方案中使用的沉降板的布置位置見圖4。根據公路路基的沉降控制標準，路面的沉降率應lt;10 mm/d，才可認為路基處于穩定狀態。如果路表面的月平均沉降率lt;10 mm/d，就可以進行基層的施工。如圖4所示，布置了6個沉降板，從基層施工到施工結束后的180 d內，監測了230 d的沉降，監測數據列于表2。從表2可以看出，在公路上最大的路基沉降發生在D點，其早期沉降速率達到20 mm/d，然而，在固結期間內，路基沉降趨于穩定。路表面的月平均沉降率lt;10 mm/d。數值模擬結果和監測數據之間的基層沉降差異可以控制在lt;5%，這很好地驗證了數值模擬的有效性，同時也證明了用數值分析來指導基層施工是簡單可靠的。綜上所述，隧道洞渣土改良高液限土在巴平高速公路路基的應用取得了良好的效果。

6 結語

（1）巴平高速公路高液限土的抗剪強度參數隨著含水量的增加而降低。在最大干密度和壓實度為100%的條件下，素土的CBR值為2.95，小于公路路基填筑材料的最小CBR值。此外，其最大回彈模量為26.3 MPa，也遠遠低于填充材料的最低要求值。

（2）改良后的高液限土壤的最佳含水量隨著隧道洞渣摻量的增加呈下降趨勢，這是由于隧道洞渣加入后土壤中親水性礦物成分減少。密度高于土壤顆粒的混合隧道洞渣形成了土壤骨架，只提供摩擦力而沒有內聚力。改良后的土壤的最大干密度和內摩擦角隨著隧道洞渣摻量的增加而增加，但其內聚力卻呈現出相反的趨勢。隨著隧道洞渣摻量的增加，觀察到更高的CBR值和更小的膨脹率，表明改良后的高液限土壤的完整性得到了明顯的提高。適當的隧道洞渣摻量可以對高液限土的力學性能產生積極的影響。在本工程實踐中，最佳的隧道洞渣摻量是15%。

（3）數值結果表明，使用隧道洞渣改良的高液限土作為填充材料，可以很好地保證基層坡面的穩定性，基層沉降也在規范允許的范圍內。隧道洞渣改良高液限土作為路基填筑材料在巴平公路上得到了良好的應用。

參考文獻

［1］張軍輝，李 海，楊 豪，等.盾構渣土資源化再利用技術研究綜述［J］.中外公路，202 42（6）：1-11.

［2］黃 偉，于得水.隧道洞渣機制砂特性對混凝土坍落度的影響研究［J］.城市道橋與防洪，2021（12）：174-176，22.

［3］袁政成，黃法禮，王 振，等.隧道洞渣在建筑材料中的資源化綜合利用研究進展［J］.硅酸鹽通報，2020，39（8）：2 468-2 475.

［4］齊昌洋，張 靜.沉降觀測技術在高速鐵路路基中的應用［J］.城市建設理論研究（電子版），2017（31）：98.

［5］沈正偉，涂圣武.石英砂巖隧道洞渣在路面基層中的應用［J］.現代交通技術，202 19（4）：7-1 16.

［6］李化建，黃法禮，王 振，等.鐵路綠色隧道工程材料技術研究進展［J］.隧道建設（中英文），202 41（11）：1 992-2 000.

［7］張蔚博，張 羽，崔國柱.隧道洞渣在鶴大高速公路科技示范工程中的綜合應用［J］.公路，2016，61（6）：263-267.

收稿日期：2023-10-17

作者簡介：吳仲邦（1992—），工程師，主要從事高速公路項目建設管理工作。