周家庄货联线九合隧道穿越污染土地区防治措施研究

齐红云、贾淇淇

（中国铁路兰州局集团有限公司兰州西工务段，甘肃兰州 730000）

0 引言

特殊地质是影响隧道工程施工建设的主要因素，近年来，公路项目中的隧道工程逐渐增多，对隧道工程施工技术也提出更高要求。特殊地质的种类较多，无论是硬岩地质环境还是受污染较为严重的地质环境，在隧道工程施工中都很容易引发工程安全问题。为保证隧道工程施工过程的安全性，提升建设质量，需要结合各类隧道工程案例，总结相关经验，加强对各种特殊施工建设环境的处理和防治。

1 受污染土壤环境对隧道工程的影响

由于隧道工程建设中会遇到各种复杂的地质和地形环境，隧道工程现场周围的特殊地形环境，以及天气因素等，均会在一定程度上增加施工难度[1]。以受污染土壤环境为例，从本质上来说其属于复杂地质环境的一种。在施工现场土壤环境受到污染的情况下，不仅工程现场的地下水会受到污染，土壤环境的稳定性也会遭到破坏，这会增加隧道施工过程中坍塌等安全问题的发生概率。具体而言，受污染土地区对隧道工程施工建设的影响，主要源自各种固体废弃物。而固体废弃物中又以炼油废渣对土壤环境造成的破坏最为严重。炼油废渣被排放到土壤中，重金属及硫化物等物质的迁移会导致土地酸化、碱化[2]。在此情况下，土壤的抗压强度也会逐渐降低，进而威胁隧道工程结构的稳定性。

2 隧道工程穿越污染土地区防治措施分析

若隧道工程穿越污染土地区，需要采取相应的防治措施，这样才能保证隧道支撑结构的质量，以及隧道工程的整体施工效果[3]。基于这一目的，结合周家庄货联线九合隧道工程案例，探讨相应的防治措施。

2.1 工程概况

周家庄货联线九合隧道为典型的双线隧道工程，最大埋深106m。在现场施工开挖里程至HK6+411处，洞内出现刺鼻异味，经进一步现场地质勘查发现，该区段土质环境中的基岩虽然比较完整，但岩面较为潮湿，持续施工一段时间后发现岩面有持续散发异味气体及少量渗水情况。为了降低隧道工程施工难度，在实际施工中转为明挖。施工完成后发现，具有刺鼻异味的区段以往是用作危险废物的填埋场。

结合工程现场以往的勘查资料了解到，该区段曾为工业弃渣场，主要用于填埋石化企业生产经营过程中产生的各类废酸、废碱、污水处理厂的隔油池沉淀、浮选池浮渣、活性污泥、废白土及废催化剂等渣液，废弃物主要成分为硫酸，其中还有少量油类等。细致勘查现场土壤环境条件后发现，施工现场地表河流的上游主要为雨水冲积形成的淤泥，对淤泥样品进行检测后发现，其中含有炼油产生的废弃物。经相关人员鉴定，这些废渣和废弃物为危险废物，具有明显的腐蚀性和刺激性气味。土壤环境中检测出的铅、铬、镉等元素，如果遇到高温、水、酸等，会呈现出明显的流动性和渗透性。如果在施工中未对此情况加以重视，会对参与此段施工的相关人员产生健康危害。

2.2 固体废弃物的处理方法

2.2.1 固体废弃物固化技术处理原理

结合周家庄货联线九合隧道工程现场的实际情况，为验证炼油废渣这一固体废弃物对土壤环境以及隧道工程施工建设产生的影响，可以基于固体废弃物固化技术处理原理，对炼油废渣污染土进行试验检测。当前的固化技术处理能够基于处置放射性污泥和蒸发浓缩液的方式，对电镀污泥铬渣等化学组分较为复杂的危险废物进行处理[3]。但要想有效发挥该技术的作用，一方面要保证技术应用的规范性，另一方面要有效控制处理过程中的毒性浸出率。

固体废弃物尤其是炼油废渣对土壤环境造成的影响，主要体现在土壤抗压强度的变化上。在土壤本身的固化体破损的情况下，融入土壤环境中的固体废弃物表面积会增大。当前我国对土壤固化处理的抗压强度标准，以土壤最大密度的90%～95%为标准[4]。其中还涉及变化因素这一概念，通常用以下公式来表示固体废弃物的体积变化因数：

式（1）中：V1为固化前危险废弃物的体积；V2为危险废弃物固化后固化体的体积。

基于以上原理，以同类型的石灰为固化剂的主要成分，以石灰与土体之间的各类元素发生化学反应的方式，让反应的生成物能够结合在一起，同时与土体颗粒结合成为共晶体，以此达到提高石灰土水稳定性的目的，同时提升石灰土的强度。

2.2.2 土壤固化性能试验

对固体废弃物的处理技术和土样性能进行试验检测时，需要先对现场采集到的土壤样本成分进行分析。将土样分为浅色土样和深色土样两种类型后，对其进行化学试验测定。基于测定结果，发现浅色土样的pH 值为6.0，深色土样的pH 值为4.82。在此基础上通过直接萃取的方式，对浅色土样和深色土样中的化学成分含量进行测定，得到的结果如表1 所示。

表1 浅色土样与深色土样中各元素成分含量

在明确这一试验结果的基础上，需要先对隧道工程现场的炼油废渣污染土的基本物理特性进行试验检测。在含水率检测方面，主要应用三个铝盒、天平、烘箱及干燥器等试验设备，并根据土样质量试验规程标准来检测。经检测，浅色土样的含水率为11.5%，深色土样的含水率为19.1%。在干密度检测方面，该工程主要应用轻型击实筒、2.5kg 击锤、推土器、天平、台秤、5mm 分筛器及其他相关设备。整个试验过程遵循土工试验相关规定展开。经检测，浅色原状土的最优含水率为19%，最大干密度为1.75g/cm3；深色原状土的最优含水率为15%，最大干密度为1.46g/cm3。

应用固化技术对受污染土壤的固化性能进行试验后，还需要通过无侧限抗压强度试验的方式，验证在受污染的情况下，该区域土壤结构和质量能否满足隧道工程的施工建设要求。该方面的试验，主要选用消石灰固化剂对受污染土地区的土样进行固化处理。将消石灰与土样充分混合拌匀后制成100mm×100mm×100mm 的试块之后，基于试验目的和现有操作设备，以土样作为控制变量，使其基本保持不变。明确土样的压实度和石灰掺量数值后，将两种炼油废渣的污染土样置于标准洒水养护条件下，分别养护28d、90d、180d，再对得到的土样试件进行无侧限抗压强度试验和毒性浸出试验。待水、固化剂石灰、干土充分搅拌均匀，获得针对现场土样检测获得的物理性能参数之后，需要基于试验目标和要求，在遵循操作规范的前提下取得相应的土样、石灰和水，制备试件。

基于试验得到的检测结果，需要再次应用毒性浸出试验的方式对固化体的稳定性进行评价[5]。最后通过扫描电子显微镜技术，对固体的微观结构进行分析（见图1）。

图1 试验流程图

这一过程主要涉及无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验以及扫描电镜制样三个步骤。其中，除无侧限抗压强度试验应用常规的试验方法之外，毒性浸出试验需要基于土样的含水率来计算，进而得到试验需要的浸提剂的体积。确定需要加入的浸提剂量之后，将掺入浸提剂的装有溶液的容器垂直固定在水平振荡装置上，经过振荡处理后，对溶液中的重金属含量进行分析。扫描电镜制样主要是指在土块自然风干之后将其敲碎，对土样表面的浮土进行清洁处理后，以抽真空和镀金的方式进行试验检测。

2.3 结果分析

对试验结果进行分析，能够得到不同控制变量下的土样无侧限抗压强度变化情况。

2.3.1 无侧限抗压强度的试验结果

对于深色土样，将试验试件处于标准养护状态下，以养护龄期为控制变量，设置28d、90d、180d 三个不同的指标，进行无侧限抗压强度试验，发现深色土样在石灰掺量逐渐提高的情况下，无侧限抗压强度随养护龄期的增长逐渐增加。同时发现，在土壤中溶液碱性较大的情况下，土壤中的硅铝矿物的解离作用也更为明显，因而可以判断，随着固化剂石灰的掺入，在一定养护龄期后所有pH 值均会提高。

对于浅色土样，基于设定的相同控制变量，发现石灰固化土的无侧限抗压强度变化节点为养护龄期的28d，在此时间之前，石灰掺量呈升高的状态，而在此时间之后，呈现出降低的趋势。

为验证应用固化技术后的受污染土壤样品性能的效果，可以选择该隧道工程周围并未受到污染的黄土，以相同的方式对黄土进行固化处理之后，对土样进行无侧限抗压强度试验。针对深色土样的检测，得到表2 所示的结果。

表2 深色土样与黄土的无侧限抗压强度检测情况 单位：kPa

结合表2 中数据可以发现，基于改良黄土与深色黄土在性质、结构等方面的不同，前者的无侧限抗压强度要明显优于后者。而二者在试验中都会受到石灰掺量的影响，使土样石灰掺量与无侧限抗压强度之间呈现正相关的关系。应用相同方法对浅色土样试验，发现浅色污染土固化体的无侧限抗压强度变化规律存在一定的范畴，超出该范围后，因受石灰掺量的影响，无侧限抗压强度会下降。

2.3.2 浸出毒性试验结果

对经过固化处理的污染土壤浸出毒性特性进行检测，主要检测土样中的苯、铬、镉、铅、硫化物、酚、有机物含量。其中，在浅色土样中，检测发现苯及有机物的含量随着石灰掺量的增加而降低，重金属铬、镉、铅的含量在掺入固化剂石灰后，含量明显降低，而硫化物含量浓度在掺入固化剂石灰后有所提高。基于此，在考虑污染土壤处理的过程中，应持续关注现场环境对土壤的影响，找到土壤浸出毒性的变化规律。

2.3.3 扫描电镜

由于无侧限抗压强度以及毒性浸出两种试验主要是从固化剂石灰掺量和养护龄期两个宏观方面来分析的，因此还需要在此基础上，从微观层面应用扫描电镜的方法，对受污染土样的固化剂掺量、养护龄期、污染程度等进行分析。

对于固化剂掺量的分析，可以应用电子显微镜将土样的镜像放大1 万倍，对添加不同石灰掺量的土样的微观结构进行观察。在深色土样中，观察发现随着石灰掺量的增加，基于相应的化学反应原理，土壤中生成棒状结构，这种结构的增多导致土壤环境中的孔隙减少，结构更紧密。在浅色土样中，通过对土壤的观察，发现其中也生成了大量排列规则的棒状组织，降低孔隙率，提高了结构的密实度。

对于养护龄期的分析，需要将控制变量设定为养护28d、90d，在石灰掺量为12%和洒水养护条件下，利用电子显微镜进行观察。在深色土样中，发现土壤的整体结构并未呈现出明显的变化。在浅色土样中，石灰能够与土壤表面的物质发生化学反应，形成棒状组织，且养护时间越长棒状组织数量越多，孔隙率降低，结构越来越致密。

对于污染程度的分析，主要将12%石灰掺量浅色土固化体放大2.5 万倍，发现浅色污染土与石灰的结合程度要优于深色污染土。

2.4 隧道工程穿越污染土地区的防治趋势

污染土地区的土壤在抗压强度等性能方面发生的变化，会直接影响隧道工程的整体施工效果。根据上述试验结果可知，这些受污染地区的土样无限测抗压强度要明显低于一般黄土的性能，且受到的污染程度越大，土样的性能越低。控制各种不同变量进行试验时，发现石灰掺量、养护龄期等因素会直接影响对受污染土样的固化处理效果。

需要注意到的是，上述试验是以模拟现场环境变化的方式开展的，所得到的试验数据难以真实反映土壤在实际变化环境中的情况，因而需要做进一步的现场试验与分析，以更准确地判断土壤中各种元素的含量变化。未来还需要针对试验的影响因素，对土样处理固化技术进行进一步研究，降低受污染土壤环境对隧道工程施工带来的不利影响。

3 结论

综上所述，受污染土壤会在一定程度上限制隧道工程各项施工任务的开展，也会对隧道工程的施工质量产生影响。为避免此类问题，在隧道工程施工防治过程中，需要做好对工程现场环境的地质检测，在明确现场地质水文条件的基础上，加强对隧道工程支护结构的加固和防腐处理，并严格遵循相应的施工标准开展施工作业，确保施工质量与施工安全。