已燃煤矸石作為橋涵臺背回填材料可行性分析

徐玉曉，姜 利，董建勛

(1.青島市市政工程設計研究院;2.東北林業大學土木工程學院)

已燃煤矸石作為橋涵臺背回填材料可行性分析

徐玉曉1，姜 利2，董建勛1

(1.青島市市政工程設計研究院;2.東北林業大學土木工程學院)

國內外常用的橋涵臺背回填材料主要有天然級配砂礫、石灰穩定土以及EPS輕質混凝土等材料，而對于固體廢棄物煤矸石作為橋涵臺背回填材料的應用實踐較少。對于黑龍江、山西、內蒙古等煤炭省而言，如果將排放出的大量固體廢棄物煤矸石作為橋涵臺背回填材料，一方面在降低工程造價的同時，另一方面將減少因煤矸石堆積占用大量的寶貴土地資源，進而實現合理利用資源、保護環境的目的。結合依七高速公路橋涵背回填煤矸石工程實踐，從技術、經濟兩方面論證煤矸石作為橋涵臺背回填材料的可行性進行分析。

臺背回填;煤矸石;沉降觀測;效益分析

1 工程概況

依七高速公路起點和哈同高速相接，重點和鶴大高速相接，是黑龍江省骨架公路網規劃高速公路系統的聯二線。該高速公路全長110余km，總投資約35億元，采用四車道全封閉、全立交標準設計，設計車速100 km/h。

建設單位本著科技創新、節約成本和保護保護環境三項原則，在依七高速K103+000至施工終點橋涵臺背回填段(工程范圍內合計大小橋涵31座)采用七臺河堆積大年限在10年以上的已燃煤矸石作為橋涵背回填材料，通過工程實踐，進而實現新技術、新工藝、新材料在公路工程中的廣泛應用。

2 應用效果評價

2.1 施工工藝

通過在依七高速橋涵背回填段進行現場攤鋪試驗，最終總結出了適合橋涵臺背回填煤矸石的施工工藝流程，具體如下。

前期準備→煤矸石性能試驗→基底處理→回填段測量放樣及反開挖→煤矸石攤鋪整平→現場灑水→分層碾壓與夯實→壓實質量檢測(沉降差法、固體體積率法等方法)→繼續分層填筑→滿足設計標高→堆載預壓或封層。見圖1。

圖1 臺背回填現場施工圖

2.2 施工注意事項

(1)臺背回填施工過程質量控制

施工單位和監理人員在確保橋臺(樁基)、基底承載力(壓實度)滿足規范要求后方可進行已燃煤矸石的回填。

臺背回填過程中，監理員和施工員要記錄好回填煤矸石的最大粒徑、顆粒級配、松鋪厚度、機械設備組成、碾壓遍數、灑水方式、壓實檢測方法等滿足施工工藝要求的其他內容，避免后期出現返工情況。

(2)運輸過程的環境保護

天然堆積的已燃煤矸石含水量基本為零，開采的煤矸石具有含水率低、灰分多、較大顆粒多的特點，車輛在運輸煤矸石過程中如果不能做好覆蓋措施，會造成運輸過程中的粉塵飛揚等污染環境的情況發生。煤矸石在運輸過程中需要根據煤矸石的顆粒特征、燃燒程度采取帆布覆蓋等保護措施。運輸煤矸石過程中盡可能避免運輸剛剛灑水的煤矸石，避免對運輸路段的道路造成污染。

(3)煤矸石開采安全問題

現場堆積的煤矸石存在完全燃燒、部分燃燒或未燃的煤矸石山，煤矸石山的穩定性較差，開采煤矸石過程中要做好安全保護工作，由專業人員或經過嚴格培訓的施工員負責現場指揮開采，同時制定合理的煤矸石開采方案。

2.3 后期沉降觀測分析

以K117+800互通橋臺背回填煤矸石為例，進行后期沉降監測。該橋涵臺背回填高度為8.5 m(不含地基處理深度)，為得到臺背回填段分層沉降隨時間變化規律，在回填段從上至下埋設了I1號、I2號、I3號、I4號沉降磁環(磁環距臺背頂面距離分別為1.0 m、3.5 m、6.5 m和8.5 m)，并在路面攤鋪之前進行了為期一年的實地監測，監測結果見圖2所示。

圖2 分層沉降隨時間變化規律圖

通過近一年的沉降觀測，互通橋臺背回填段的中分帶沉降量合計為43 mm(地基沉降為31 mm，煤矸石壓縮沉降為11 mm)，截至到2011年9月，地基沉降和已燃煤矸石自身壓縮沉降均趨于穩定。繼續進行觀測，回填段沉降較小，且變坡未出現任何滑移情況的發生。互通橋回填段的分層沉降觀測結果表明，分層壓實后的煤矸石具有壓縮性小、穩定性好、沉降量小的特點。

依七高速公路通車三年多來，所采用已燃煤矸石進行的橋涵背回填段均未出現明顯橋頭跳車情況，表明煤矸石作為橋涵臺背回填材料從技術上是完全可行的。

3 經濟效益分析

3.1 直接經濟效益

依七高速前期設計過程中全線均采用七臺河地區天然級配砂礫作為橋涵臺背回填材料。施工過程中，綜合考慮七臺河地區堆積有大量的強度高、穩定性好的已燃煤矸石，從節約工程造價的目的出發，在進行室內實驗的基礎上，部分路段的橋涵臺背回填采用煤矸石材料。

根據建設單位和施工方簽訂的承包合同發現，K103+ 00至施工終點采用煤矸石回填的工程造價可比采用砂礫回填1 m3約降低28元。K103+000至終點段所有橋涵臺背回填工程量約7萬m3，相比采用天然砂礫回填材料而言，僅依七高速15 km路段(不含路基采用煤矸石填筑，僅僅指橋涵臺背回填煤矸石)建安費就可以節約工程成本200余萬元。

3.2 間接經濟效益

(1)土地效益

堆積的固體廢棄物—煤矸石作為道路建筑材料，占用的農田或建設用地將得到合理利用。

按照七臺河堆積的已燃煤矸石按照一般情況下坡度為30°～40°，根據依七高速公路實際開采填筑的煤矸石工程量進行計算，最少可節省七臺河土地資源約12.7畝。已燃煤矸石山圓錐體公式

土地面積計算公式

通過綜合開發利用煤矸石造成的土地利用間接經濟效益，按農田年收益1 500元每畝，使用年限30年計算，僅依七高速試驗段利用煤矸石一項，就可創造約57萬元的土地效益。

(2)農業效益

國內外研究表明，煤矸石的大量在堆積過程中會對周邊1 km范圍內的農產品造成較大污染污染。根據國內學專家采用的農作物受污染后減產計算模型得出，開采的一座煤矸石山的影響區域面積為4 847畝，可挽回的農業損失為72.7萬元/年。

(3)綜合治理效益

為了防止堆積的煤矸石因燃燒造成山體滑坡、大氣污染，七臺河地區每年都要對堆積的煤矸石進行滅火、封堵等措施，根據七臺河地區煤矸石山堆積區1 m3需平均投入0.3元的治理費用計算，僅依七高速橋涵背回填煤矸石一項，就可為當地節約治理煤矸石山的費用合計月76萬元。

綜上以上分析計算可知，對于在七臺河礦區乃至全國其他礦區城市修筑高等級公路，如果將煤矸石代替天然級配砂礫作為道路、臺背填筑材料，將會產生明顯的經濟、環境社會效益。間接效益見表1。

表1 間接效益統計結果

4 結束語

工程實踐證明，將煤矸石作為橋涵臺背回填材料，從技術上是完全切實可行的，對煤炭開采城市而言，如果將煤矸石代替天然砂礫進行橋涵背回填材料或路基填筑材料，具有明顯的經濟效益，對于促進煤矸石變廢為寶，減少因煤矸石堆積造成的當地環境污染問題，實現土地的二次開發利用，推動社會的可持續健康發展，煤矸石均具有較好的開發利用價值。

［1］ 葛澤圣，黃曉明，等.公路橋涵臺背回填材料研究綜述［J］.交通運輸工程學報，2007，7(4).

［2］ 董倩.煤矸石山堆積形態及穩定性分析研究［D］.重慶大學，2006.

［3］ 姜利，董建勛，張錦生.橋涵臺背回填煤矸石壓實試驗研究［J］.中外公路，2013，(4).

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0026－02

2015－02－09

徐玉曉(1982－)，女，工程師，研究方向:路基路面與道路工程材料、城市道路地下空間綜合開發利用技術。

黑龍江省交通運輸廳科技項目《橋涵背煤矸石回填技術研究》，項目編號:2009023。