隧道洞渣和路基石渣的資源化利用技術

馬 泉 肖建莊 李 鵬 高 尚 戴克學

1. 同濟大學 上海 201804；2. 中建三局集團有限公司 陜西 西安 710065

隨著我國道路工程的發展，隧道和挖方路基在山區道路工程中的占比越來越大，部分新建的山區道路工程中隧道和挖方路基占路線總長的比例已突破70%。這些道路工程在隧道和路基開挖過程中，不可避免地產生大量洞渣、石渣，由于受施工工藝、施工組織等因素的影響，大量隧道洞渣和挖方路基石渣（指施工過程中開挖出來的石料廢渣）得不到合理利用，常常需要布設專門的棄土場來廢棄。洞渣、石渣廢棄既占用了土地資源，又影響了環境，有時因處置不當還會形成安全隱患。

近年來，由于道路工程路網建設的深入推進和砂石資源分布不均，碎石（指經過除土處理，由機械破碎、篩分制成的巖石顆粒，但不包括軟質、風化的顆粒）在工程建設中的短缺之處顯得越來越突出，工程中就地取材加工碎石應用于在建道路工程建設已成為發展的必然趨勢[1-3]。

本文主要以湖北省十堰市航空路道路工程為實施背景，介紹了將隧道洞渣和挖方路基石渣用來生產碎石的技術，實現了隧道洞渣和挖方路基石渣的資源化利用，避免了隧道洞渣和挖方路基石渣廢棄占用土地資源和對生態環境產生影響，同時節約了工程的投資。

1 工程概況

十堰市航空路位于十堰市茅箭東城開發區及十堰經濟開發區龍門工業園境內，為西北—東南走向，起點順接林蔭大道與航空路苜蓿葉立交橋，中途橫穿茅箭區普林工業園，上跨東風大道，從北側穿越十堰經濟開發區龍門工業園，然后上跨許白路和茅塔河，終點接現狀機場路，全長4 905 m，主要包括1座隧道和5段路基等工程。

本工程道路面層采用瀝青混凝土，基層采用水泥穩定碎石/級配碎石，其碎石需求量約15萬 t。但沿線砂石料匱乏，工程使用的砂石料需遠運，平均運距超過80 km。據設計圖紙及有關施工規范的規定，用于加工道路路面基層的碎石壓碎值應小于30（級配碎石應小于40）。該隧道洞渣和部分挖方路基石渣可滿足該路面基層的碎石材質要求。

2 資源調配及加工

2.1 原材調配

1）挖方路基。十堰航空路路基左幅全長3 280.4 m，右幅全長3 227.4 m，深挖路基段共計6段（實為6座山體），總長合計1 190 m，最大挖高為80.7 m。土石方挖方量約為650萬 t，其中石方約300萬 t（按照強風化和中風化經驗比例，中風化石方約150萬 t，可用于生產碎石）。當開挖到中風化巖層時，不同的山體應提前進行相應原材石料的送樣檢測，當材質符合設計及規范要求時，方可運輸至砂石料加工場地，否則棄至指定的棄土場。

2）龍門隧道。十堰航空路龍門隧道設計文件表明，此隧道位于絹云母石英片巖地區。該隧道洞身為分離式隧道，左線長438 m、右線長385 m，該隧道開挖產生的洞渣約30萬 t。

該隧道所在山體的地層主要由第四系土層和中元古界（Pt2）絹云母石英片巖組成，隧道巖石較完整。

結合本地區工程經驗及土工試驗，取得巖石單軸飽和抗壓強度，通過野外地質調查獲得巖體體積節理數，從而得到對應巖體完整性系數，根據隧道圍巖分級方法計算公式求得巖體基本質量指標，依據JTG C20—2011《公路工程地質勘察規范》附錄E及相關計算公式得出修正巖體基本質量指標，結合JTG C20—2011《公路工程地質勘察規范》附錄F公路隧道圍巖分級標準進行隧道圍巖詳細分級。

圍巖分級穩定性評價：洞身位置圍巖主要為Ⅳ級，為中風化片巖及微風化片巖。中風化片巖節理裂隙發育一般，巖體較完整-較破碎，為較軟巖，施工時局部圍巖易掉塊，圍巖可以自穩數日；微風化片巖，巖體較完整，圍巖自穩能力較好，穩定性較好。

根據不同巖層圍巖地段進行原材送樣，當材質符合設計及規范要求時，方可運輸至砂石料加工場地，否則棄至指定的棄土場。

2.2 加工及質量控制

1）加工設備選型。綜合考慮該隧道洞渣和挖方路基石渣利用，在30萬 t隧道洞渣中優選20萬 t用于生產碎石料，剩余10萬 t可視材用于道路填方段路基的填筑，從而基本實現該隧道洞渣“零棄方”。在150萬 t的挖方路基石渣中優選100萬 t用于生產碎石，剩余50萬 t用于路基填筑或棄至棄土場。

結合本工程施工合同段路面基層碎石總體需求量和開挖石料總工程量，計劃加工碎石時間為1年，加工石料總量按120萬 t計（其中機制砂40%、碎石60%）。依據產能需求，選擇的主要加工設備為：一級破碎采用1臺PE600，選顎式破碎機，二級破碎采用1臺PF1315反擊式破碎機，采用干法生產碎石。

2）加工場地布設。加工場地布設時考慮以下幾點：

① 盡量保護土地資源，避免新征臨時用地。

② 盡量將加工場地布設于原材地（隧道和可利用挖方路基）與應用地（路面基層水穩拌和站）之間，避免原材料和碎石重復運輸。

③ 與附近居民居住點保持200 m以上的距離，避免加工過程中產生的噪聲及粉塵擾民。

④ 電力供應方便，盡量降低加工成本。

綜合考慮后，因地制宜地將碎石加工場地布設于距離隧道出口約1 000 m處的路基填方段上（因隧道由出口往進口掘進，同時路基挖方量較大，則選址基本位于道路中點處），場地面積約600 m2。為避免加工場地成為本工程的控制性工程，先將路基填筑至下路床底標高（剩余96區不施工）后再進行設備安裝。

3）加工工藝流程。碎石加工工藝流程如圖1所示。

4）施工方法。

① 開挖：采用爆破配合挖掘機開挖洞渣/石渣，在開挖過程中，應根據巖石的類別、風化程度和節理發育程度等確定開挖方式，本工程石方主要為絹云母石英巖，大部分為中風化或強風化，多呈大塊狀，部分呈碎石狀。開挖后首先應進行現場初步檢測，即根據經驗采用目測觀察和應用鐵錘等工具進行敲擊檢測，初步檢測符合相關要求之后送試驗室進行精確檢測，檢測合格之后才可以進行大量運輸。

② 運輸：采用挖掘機挖裝，自卸汽車運輸到碎石加工廠原材區。

③ 加工：加工采用二級破碎工藝，一級破碎采用顎式破碎機，其主要用于對各種礦石與大塊物料進行粗碎和中碎加工。

二級破碎采用反擊破碎機，其利用沖擊能來破碎石料，主要用在集料的二次加工。

加工方法為振動給料機喂料，一破采用PE600破動作用顎式破碎機（設備應配備條形隔片篩，用于過濾泥土和細長扁平塊石，將直徑500 mm的石料破碎至直徑130 mm以下；二破采用PF1315反擊式破碎機，將直徑130 mm的石料破碎至直徑40 mm以下；然后將破碎的石料經過振動篩分檔成最終產品，即直徑4.75～9.50 mm、0～9.5 mm、9.5～19.0 mm、19.0～31.5 mm，超粒徑顆粒返回到反擊式破碎機再次進行破碎，將石料破碎成最終產品。

④ 檢測應用：加工出的最終產品在使用前必須送第三方檢測機構進行檢測，檢測合格后方可使用。

5）加工質量控制。為保證加工質量，從以下幾個方面加強質量控制：

① 從源頭優選原材。在開挖過程中，優選整體性好、性能滿足要求的巖石用于加工碎石。當施工進入破碎帶、含泥地層、軟弱地層以及富水區段時，開挖的洞渣不可用于砂石料生產。

② 對石渣進行晾曬。在加工場地附近設置臨時堆場，將開挖出的石渣先運輸至此進行晾曬，待曬干后用挖掘機挑選裝車運輸至加工場用于加工，避免因過濕石渣直接用于生產砂石料而導致質量波動。

③ 場地與道路硬化。石渣運輸道路和加工場地首先采用壓路機充分壓實，然后鋪筑厚20 cm級配碎石層，避免加工過程中運輸車輛、裝卸設備將泥土帶入。

④ 強化排水系統。加工場地場平按中間高、周邊低的原則進行平整，并在周邊修建排水溝，確保雨水能及時排除，避免降雨積水導致原材料和成品被污染。

⑤ 定期檢查維修設備。堅持每天定期對加工系統的有關設備進行檢查，重點對破碎機易損件、振動篩、除塵器布袋完好性等進行檢查，發現問題及時修復，確保這些設備處于正常工作狀態。

⑥ 及時轉運成品。將加工出來的碎石及時轉運至路面基層水穩拌和站或儲料場，確保成品堆高不超過3 m，以避免出現顆粒離析。

⑦ 加工質檢系統。建立洞渣/石渣加工碎石質檢系統，每天開始生產時在皮帶上取樣檢驗碎石級配、石粉含量，當這些指標出現大的波動時立即停機檢查，排除故障后再重新開機生產。

3 質量檢驗

3.1 水泥穩定級配碎石基層中碎石技術要求

根據CJJ 1—2008《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》和JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》及結合本工程施工設計圖，水泥穩定級配碎石基層中碎石需滿足表1中的技術要求。

表1 水泥穩定級配碎石基層中碎石技術要求

水泥穩定級配碎石基層中軋制碎石的石渣粒徑應為碎石最大粒徑的3倍以上，碎石中不應有黏土塊、植物根葉、腐殖質等有害物質。成品碎石應為多棱角塊體，級配碎石顆粒范圍應符合CJJ 1—2008《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》表7.7.1-13要求。

3.2 水泥穩定碎石基層中碎石技術要求

根據CJJ 1—2008《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》和JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》及結合本工程施工設計圖，水泥穩定碎石基層中碎石需滿足表2中的技術要求。

表2 水泥穩定碎石基層中碎石技術要求

水泥穩定碎石基層中宜采用質地堅硬、耐久、潔凈的碎石，集料級配范圍應符合表3要求。

表3 水泥穩定級配碎石基層中碎石級配范圍

4 工程應用

4.1 碎石在路面基層工程的應用

經檢測，采用該隧道洞渣和此工程段挖方路基石渣加工的碎石無堿活性，其檢測結果為：該碎石樣品壓碎值等技術指標符合《公路路面基層施工技術細則》中高速公路和一級公路重、中、輕交通用粗集料1Ⅰ類技術指標及設計要求。

采用此類洞渣/石渣加工碎石配制的路面水泥穩定性基層已成功應用于本工程。水泥穩定碎石/級配碎石基層：基層壓實度≥98%，底基層壓實度≥97%；彎沉值不應大于設計規定值；外觀質量：表面應平整、堅實、無推移、松散、浮石現象；均能滿足設計及規范要求。

4.2 滿足相關標號混凝土的應用

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，根據道路工程混凝土工程特點，對此類洞渣/石渣加工的碎石進行混凝土配合比設計，相關等級混凝土配合比與抗壓強度見表4。

表4 混凝土配合比與抗壓強度

由此可見，采用此類洞渣/石渣加工的碎石配制的混凝土其28 d抗壓強度均滿足強度要求。

4.3 效益分析

4.3.1 經濟效益

隧道洞渣和挖方路基石渣用于加工碎石，其加工成本主要為加工能耗、人工和加工設備的折舊費用。將隧道洞渣和挖方路基石渣加工的碎石與遠運碎石進行成本對比分析。根據已采用隧道洞渣和挖方路基石渣加工的碎石，從出廠價、運距、到場價等方面與遠運碎石進行經濟對比分析，可知洞渣/石渣加工碎石投資節約效果很顯著，相關數據見石渣加工碎石與遠運碎石成本對比分析表（表5）。

表5 石渣加工碎石與遠運碎石成本對比分析

4.3.2 環境效益

隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石實現了洞渣/石渣的資源化利用，避免了因設置棄土場來堆放洞渣/石渣而導致的土地資源占用和對周圍環境的影響。避免了遠運碎石或者開山炸石來生產碎石，降低了道路施工的能源消耗和CO2的排放。

5 結語

1）道路工程中隧道洞渣和挖方路基石渣常常作為廢渣丟棄，既占用土地資源又影響環境。實現隧道洞渣和挖方路基石渣的資源化利用是建設綠色工程的必然要求。

2）選擇的二級破碎工藝（一級破碎PE600級破碎工顎式破碎機，二級破碎PF1315反擊式破碎機）可滿足隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石的需要。

3）隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石宜采用干法生產，可采用布袋除塵方式進行碎石石粉控制。

4）結合隧道洞渣和挖方路基石渣的特點，需從源頭控制及晾曬優選原材、場地與道路硬化、場地有效排水、及時轉運成品、定期檢查檢修設備等方式加強質量控制。宜采用級配、石粉含量、壓碎值等指標作為隧道洞渣和挖方路基石渣生產碎石的控制指標。

5）通過加強質量控制，隧道洞渣和挖方路基石渣生產的碎石性能可滿足建設工程要求的碎石。將其用于道路工程建設是可行的。

6）用隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石既消耗了隧道洞渣和挖方路基石渣，又解決了道路工程建設砂石用料短缺的難題，實現了隧道洞渣和挖方路基石渣資源化利用，節約了大量工程投資，且環保效益顯著。