浅析豫西黄土区公路土石比问题

张永雨

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司， 郑州 451450)

河南省黄土主要分布在豫西，包括三门峡盆地及洛阳、孟津、偃师、巩义、上街、荥阳、郑州、新郑、禹州和太行山前部分地区。豫西黄土区多属黄土丘陵、中低山地貌及冲洪积平原，其中黄土丘陵和中低山地貌地势起伏较大、冲沟发育、沟深坡陡、沟壑纵横，路线穿越该区域时存在较多挖方段。黄土区地层中多存在钙质胶结层或姜石层，相关规范对钙质胶结层和姜石层的工程分类没有明确划分，在公路挖方段施工过程中容易出现土石工程分类[1]争议，可能会引起较大的设计变更，变更费用动辄几百万，甚至上千万。因此，对豫西黄土区公路挖方段土石分类及土石比问题的研究很有必要。

1 黄土区地层特征

依据《中国湿陷性黄土工程地质分区略图》[2]及河南地区经验，三门峡盆地黄土属Ⅲ区关中黄土，具自重湿陷性，其它地区属Ⅴ区，其黄土厚度6 m～25 m，湿陷性黄土层厚度4 m～8 m，一般为非自重湿陷性黄土。

豫西黄土分为全新世黄土(Q4)、晚更新世马兰黄土(Q3)、中更新世离石黄土(Q2)、晚更新世黄土午城黄土(Q1)。马兰黄土(Q3)，浅黄、褐黄色粉土，土质均匀，大孔隙发育，密度较小，具垂直节理，含少量零星钙质结核，底部有一层红色粘土质古土壤；离石黄土(Q2)，棕黄，褐色，棕红色粉质粘土夹粘土及灰色钙质结核层，土质密实，常见成层分布为钙质结核层，夹有多层红色古土壤，局部夹砂砾卵石及胶结砂砾及卵砾石薄层透镜体；午城黄土(Q1)，主要为棕红色粘土、棕黄色亚粘土和灰白色钙质结核层，土质密实无大孔隙，柱状节理发育，钙质结核含量相对较少。

豫西黄土中包含较多钙质胶结[3-4]或姜石，钙质胶结是含较多钙质矿物质在地层沉积的过程中沉淀固结，并发生胶结作用[5-7]而形成的。钙质胶结呈灰-浅灰-灰白色，硬度较低，小刀容易刻动，遇酸剧烈起泡。钙质胶结在黄土中多分布于离石黄土(Q2)和午城黄土(Q1)中，马兰黄土(Q3)中含量较少，分布无规律性，呈条带状分布，厚度一般为0.1 m～2.0 m，厚薄不均，胶结程度强弱不等，胶结硬度大小不一。

2 土、石工程分类及存在的问题

土是地壳表面最主要的组成物质，是岩石圈表层在漫长的地质年代里，经受各种复杂的地质作用所形成的松软物质。根据其地质成因分为残积土、坡积土、崩积土、冲积土、洪积土、风积土、湖积土、海积土和冰积土等；根据颗粒成分分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。

岩石通常认为由一种或几种矿物和天然玻璃组成的，具有稳定的固态集合体。按成因分为岩浆岩、沉积岩、变质岩。按坚硬程度分为坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩及极软岩。

一般认为土石比的分界线为硬土和软石的分界线，土方包括松土、普通土、硬土，石方包括软石、次坚石、坚石，土石比为土方总量除以石方总量。

依据土石定义及工程分类，山区基岩面连续且清晰的地区，土石工程分类较为清晰，主要存在软石、次坚石及坚石的分类争议，而黄土丘陵区无明显基岩面的地区，土层中存在较多的钙质胶结层或姜石层，分部不均且无规律，土石工程分类存在较大的争议。因此，土石比问题的难点在岩性鉴定及土石工程分类上，项目各参建方所处立场不尽一致，导致各方意见不统一，甚至差别较大。

依据土石分类及实际工程经验，土石比[9-11]确定影响因素较复杂，主要包括地貌类型、土石岩性、土石颗粒大小含量、风化程度、胶结程度、开挖方式、开挖设备、开挖时间、土石方招标单价、变更管理规定等因素。综上所述，土石比问题的争议，不仅仅是地质问题，还牵扯到开挖方式和工程管理[12-13]等多方面问题。

3 项目各阶段土石比的确定

勘察设计阶段，勘察单位采用地质调查、挖探、钻探、物探、土工试验等勘探手段，查明沿线地层岩性、风化程度等地质条件，设计单位依据地质条件及边坡高度确定挖方段的坡率及平台，并进一步确定挖方断面，再结合沿线地面地形，由测绘软件计算挖方段的总工程量[14-16]。依据地层岩性、颗粒大小及包含物、风化程度等判断土石的工程分类，估算出挖方断面的土石比，最终估算出土石各自工程量。

项目工可阶段采用地质调查手段初步查明沿线地质条件，仅以地质调查点或浅勘点地层估算土石比，勘探手段单一，单点代表性较差，估算出的土石比及工程量与实际情况的误差较大。

项目勘察设计阶段是在工可成果基础上进一步查明沿线的地层岩性、风化程度等地质条件，勘探手段多样化，地层划分进一步细化，依据钻探物探成果绘制成地质纵、横断面图，并据地质纵、横断面图及地面线估算出不同断面的土石比。地质断面图在绘制过程中，存在钻孔偏少、钻孔间距过大、物探推测不精确等因素，导致估算出的土石比及工程量与实际情况有一定误差。从工可阶段到初步设计阶段，再到施工图设计阶段，勘探工作量逐步增加，地层断面图逐步细化，土石比的确定也是循序渐进逐步细化逐渐准确的过程。

施工阶段是依据施工图设计文件进行施工建设阶段，开挖过程既是对勘察设计文件确定土石比的一个验证过程，又是施工中开挖难易程度的动态调整过程。开挖后，坡面的土石比一目了然，土石比计算可采用断面法确定，选择多个有代表性的横断面计算土石比。实际施工过程中，监理及施工单位主要依据2018年版《公路工程标准施工招标文件》[8]路基中相关规定进行判定，在开挖过程中，动态鉴定土石工程分类，动态量测土石工程量，最终确定土石方工程量，这是确定土石比最重要的环节。

在建设项目审计阶段，若存在土石比变化较大的变更，审计过程非常严格，变更的原因及依据都要十分充足，否则可能会追回已付的变更费用，同时也会对责任单位进行追责或处罚。

秦明月听到表扬跟听到批评一样，脸上仍然不见丝毫变化，又说：“但是这案子我却感到越来越难办，似乎线索太多了。”

公路项目经过工可、勘察设计、施工等多个阶段，参与人员有地质、路线、监理、施工、业主等多专业人员，这一过程中时间与空间跨度较大，且各参建方的立场不同。因此，土石比判定易产生争议，如何快速合理地解决这一问题，一直以来都是公路建设项目的难点。

4 土石比变更实例

以豫西黄土区某高速公路为例，K1+700～K5+000段地形地貌为黄土丘陵，丘陵多呈浑圆状，冲沟发育，切割深度20 m～50 m，相对高差较大，地形起伏较大，深挖路段4处，长度共计2 747 m，挖方段最大挖方深度为10.3 m～25.6 m，见表1。

表1 挖方段基本情况

在挖方深度内，揭露地层主要为第四系中更新统地层(Q2)，上部硬塑-坚硬状粉质粘土、粘土，上部含少量钙质结核，下部含大量姜石及钙质胶结层，其中K4+200～K4+640段地质纵断面如图1所示。

图1 K4+200～K4+640段地质纵断面

勘察设计阶段依据地质勘察报告，结合区域地质经验，确定土石比例为50∶50，无次坚石。施工招标阶段，施工单位中标的挖土方单价2.78元/m3，挖石方(软石)单价12.13元/m3，挖石方(次坚石)单价25.63元/m3，土方和石方开挖单价相差较大，达4～9倍。在施工过程中，土石方工程进度缓慢，开挖难度较大，成本较高，姜石层或钙质胶结层多采用破碎锤破除后外运，施工单位在开挖过程中做了详细记录，包括单轴抗压强度、地质部面编录及照片等工作，提出变更土石比为30.1∶69.9，其中软石和次坚石比例为58∶42，全标段土石比变更费用近1 500万元。

业主接到该变更后，责令参建五大责任主体派出专业技术人员和现场设计代表组成专项核查小组对变更进行核查，主要依据2011版《公路工程地质勘察规范》[1]和2018年版《公路工程标准施工招标文件》[8]。通过现场情况的勘查，该挖方段地层复杂多变，土石类型主要为硬土、软石，并在现场核查6个典型横断面，断面存在多层土，依据实际地质情况分为9层，土层分类见表2，工程分类包括普通土、硬土和软石，坡面存在多层不规则钙质胶结层，其中一个坡面如图2所示。

表2 土层分类

图2 不规则钙质胶结层

依据现场核查成果，估算6个断面的土石比，各断面土石比情况见表3，其中K4+203地质横断面如图3所示，K4+536地质横断面如图4所示。

表3 各断面的土石比

从表3可知，由各断面的土石比估算该标段总体土石比约为52∶48，与勘察设计文件50∶50基本一致，而施工单位申报总体土石比30.1∶69.9，与核查结果相差悬殊，勘察设计单位和施工单位对地层归类有较大的分歧，建设方难以判断，因此土石比变更迟迟得不到审批。最终交通厅组织专家进行审查，参考各参建方意见，结合开挖过程的难易程度，建议把表2中厚度大于20 cm的c1～c4地层划为软石，最终核定全标段的土石比为43.5∶56.5。

图3 K4+203地质横断面

图4 K4+536地质横断面

对比图3和图4可知，豫西黄土区姜石或钙质胶结层广泛分布，但厚度及埋深差异较大，无明显的规律性，从而使不同路段的地质横断面存在较大的差异，单一断面土石比代表的路段有限，造成了土石比划分段落存在不确定性，因此，在断面的选择、路段的划分、地层岩性判断、土石分类过程中会存在一定的主观因素。

5 结束语

1) 通过对影响土石比估算因素的分析，挖方段土石比问题与地质勘察、设计、施工招投标、施工开挖方式、变更管理等方面有关，土石比初步确定在地质勘察和设计时段，但土石比核定在动态施工过程中。

2) 勘察设计阶段公路挖方段宜采用地质调绘、挖探、钻探、物探等勘探手段，但限于勘探手段相对单一、钻机到位困难、钻孔间距较大、物探推测不精确等因素，钻探及物探成果不能完全反映挖方段的整体地质条件。因此，施工过程中动态分段核定土石比是一种切实可行的方式。

3) 设计单位在确定土石比的过程中，应充分考虑2018年版《公路工程标准施工招标文件》及工程经验，制定合理的土石比变更管理技术细则，应及早跟踪并及时处理。在施工核查阶段，可采用断面法，选择有代表性的地质横断面，同时土石比变更应采用统一标准进行全线或全标段核查，局部路段可能存在负变更。

4) 依据工程实例，豫西黄土区挖方段土层划分应细分，尤其是钙质胶结层和姜石层，建议厚度大于20 cm的姜石层及钙质胶结层单独分层，姜石含量大于50%的土层，建议定为软石；厚度大于20 cm的钙质胶结层，建议依据单轴抗压强度定为软石或次坚石。