煤矸石在依七高速公路路基工程中的應用研究

董建勛，徐玉曉，姜 利

(1.青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266061；2.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 工程概況

依七高速全長117 km，采用全封閉四車道、全互通立交設計標準，設計車速100 km/h。依七高速作為黑龍江省道路高速系統的聯二線，對黑龍江省東部骨架公路起到了至關重要的通道作用。

考慮依七高速沿線七臺河市豐富的煤炭資源，且堆積了大量十年以上的已燃煤矸石，本項目本著“降低成本、節(jié)約投資、保護城市環(huán)境”的原則，在K102～K117路基填筑15 km路段全部采用煤矸石作為填筑材料，在有效減少工程造價的同時，推動了七臺河地區(qū)煤矸石的合理開采利用，有效提高了保護了當地利用率。

2 原材料路用性能

2.1 篩分試驗

級配良好的路基填筑材料是確保路基壓實的關鍵，考慮不同礦區(qū)的煤矸石存在顆粒粒徑的較大差異，在進行填筑之前首先需要對堆積的煤矸石進行篩分試驗，本次不同礦區(qū)取樣用的幾種煤矸石的顆粒組成結果見圖1所示。

圖1 煤矸石顆粒級配曲線

從試驗結果可知，不同礦區(qū)堆積的煤矸石存在明顯的級配差異，部分礦區(qū)的煤矸石存在較好的級配特征。建議將煤矸石作為高速公路路基材料之前，應保證選用的煤矸石顆粒級配滿足不均勻系數≥5和曲率系數在1～3的取值，對于級配不良的煤矸石可采取破碎處理，同時確保最大和最小粒徑滿足現有規(guī)范要求。

2.2 擊實試驗

煤矸石的干密度隨粗細顆粒含量變化而變化，通過對選用的5 mm以上不同粗顆粒含量下的新興礦二區(qū)煤矸石重型擊實試驗結果可知，隨著粗顆粒含量的增加，煤矸石最大干密度表現出先增大后減小的變化規(guī)律，當粗顆粒含量達到60%時，具有最大干密度度。因此，在進行原材料選擇過程中，可適當提高粗顆粒的含量。

圖2 干密度隨粗顆粒含量變化曲線

2.3 承載比試驗

公路路基施工技術規(guī)范規(guī)定了不同等級道路路基填料承載比控制指標。從選用的幾種不同燒失量的煤矸石承載比試驗結果可以看出，煤矸石的承載比均明顯大于規(guī)范要求的最大值8%，國內研究成果表明，考慮煤矸石和一般的路基填料存在差異，建議適當提高煤矸石承載比控制指標。考慮燒失量較大的煤矸石承載比明顯較低的特點，結合本次試驗結果，建議高速公路路基填筑用煤矸石承載比控制在25%以上。

表1 幾種煤矸石承載比(CBR)結果

3 現場施工

3.1 施工工藝

為有效確保依七高速填筑的煤矸石路基各項性能滿足本工程施工技術指標要求，避免施工過程中出現返工，在進行煤矸石路基大面積攤鋪之前，需在施工現場按規(guī)范要求選擇100～200 m的路基段作為試驗段，結合項目試驗段的現場施工數據分析，確定煤矸石的現場施工機械組合、最佳含水量、分層攤鋪厚度、松鋪系數等施工數據。高速公路路基填筑煤矸石完整的施工工藝見圖3所示。

圖3 依七高速路基施工工藝流程

(1)原材料選擇

現場攤鋪的煤矸石各項性能需滿足現有規(guī)范要求，對燒失量大于15%的或軟質煤矸石不得用于路基填筑；為確保煤矸石的壓實效果和路基強度，煤矸石中含有的5 mm以上粗顆粒含量應控制在60%以上且承載比應控制在20%以上。

(2)煤矸石現場開采與運輸

天然堆積的煤矸石山穩(wěn)定性較低，煤矸石在開采過程中應有專人負責現場指揮，避免出現因煤矸石坍塌而造成機械損壞或人員傷亡的情況發(fā)生。

天然堆積的煤矸石存在含水量較低和粉塵較多的事實，在煤矸石運輸過程中應采用帆布將煤矸石進行遮蓋處理。對于溫度較高的煤矸石應在開采現場采取就地灑水或晾曬的方式降低煤矸石的溫度，施工過程中不得將溫度大于50 ℃的煤矸石運輸至施工現場，以免人員燒傷。

(3)填筑包邊土

為了防止雨水、地表水等浸入路基內部或因裸露的煤矸石出現二次風化而造成路基整體穩(wěn)定性降低，路基兩側一般需設置1～2 m寬的包邊土，包邊土的各項性能要求需滿足路基施工規(guī)范要求，施工過程中包邊土的攤鋪厚度大15%～25%為宜(具體攤鋪厚度需結合現場實際情況確定)，確保攤鋪的包邊土和煤矸石進行同步壓實到位，提高路基的整體穩(wěn)定性，待包邊土和煤矸石分層填筑整平后方可進行同步碾壓。

(4)現場灑水

考慮運輸至路基填筑現場的煤矸石存在含水量較低的特點，為了確保煤矸石在最佳含水量下壓實，提高壓實效率，待煤矸石攤鋪整平完畢后，需進行整體灑水處理，具體灑水量需根據試驗段確定的最佳含水量進行計算，待煤矸石表層微干后方可進行現場碾壓(實踐表明，從灑水至現場碾壓宜控制在20 min左右)。

(5)現場碾壓

為了確保路基整體壓實質量，現場壓實需遵循“同步碾壓、由外向內、先靜后振再靜”的原則。為提高煤矸石顆粒間的咬合效果，碾壓前先靜壓1～2遍，然后利用振動壓路機的中振頻率對回填區(qū)域由外向內進行6～8遍的振動壓實，碾壓過程中的輪跡重疊30 cm，為了防止路基兩側的包邊土壓實不到位，需采用小型夯實進行二次夯實處理，待達到規(guī)定的碾壓遍數方后測定路基的整體壓實質量。

3.2 施工質量控制方法

(1)水袋法

現場填筑的煤矸石最大粒徑一般控制在100 mm以內，在用水袋法測定煤矸石壓實度之前，需采用室內重型擊實試驗確定煤矸石的最大干密度(該干密度為根據煤矸石顆粒組成換算后的最大干密度)。采用水袋法測定煤矸石干密度的過程中，試坑尺寸為煤矸石最大粒徑的3倍以上，根據采用水袋法測定的試坑體積和煤矸石的總質量可計算出壓實后的煤矸石濕密度，通過室內試驗測的煤矸石試樣的含水量，得到煤矸石的干密度，最終得到煤矸石的壓實度。

(2)固體體積率法

固體體積率法是測定填石路堤壓實質量常用的一種方法，煤矸石作為一種粗顆粒填料具有和填石路堤相同的粒徑特征，且煤矸石的開口空隙和閉口空隙受現場壓實影響較小。計算固體體積率的方法為煤矸石固體體積與現場實測試坑體積的比值，具體固體體積率計算方法見公式(1)所示。依七高速公路路基填筑現場實測滿足壓實度要求的煤矸石固體體積率范圍為85%～89%之間。

(1)

式中：T—固體體積率/%；V—試坑體積/m3;mi—試樣干質量/kg；pi—煤矸石毛體積密度/(kg/m3)。

(3)沉降量法

煤矸石路基在現場碾壓過程中，隨著碾壓遍數的增加，分層攤鋪的煤矸石的累計壓實沉降量逐漸增加，最終沉降量會趨于一個滿足壓實度要求的穩(wěn)定值，通過測定最后兩遍的壓實沉降量指標，可確定煤矸石路基是否滿足壓實要求。

通過現場試驗路的鋪筑及實測數據分析，得到了煤矸石路基壓實質量控制參數，具體數據見表2所示。

3.3 路基施工質量檢驗

依七高速公路K102～K117段煤矸石路基填筑完成后，采用常規(guī)彎沉檢測方法(貝克曼梁法)對施工結束后的路基進行了彎沉檢測，實測結果見表3所示。實測結果表明，采用煤矸石填筑的路基具有強度較高、穩(wěn)定性好的特點。

表2 煤矸石路基壓實質量控制參數

表3 彎沉檢測結果

3.4 后期效果評價

2011年9月通車至今，已經經歷了8年的道路使用。依七高速高填方路段(最高填方約12 m，位于依七-鶴大高速立交填方路基段)采用煤矸石作為路基填筑材料，區(qū)域路段路基整體質量良好，高速公路車行道瀝青路面及路基未發(fā)生不均勻沉降的問題，且高速公路路基與橋涵臺背回填銜接段未發(fā)生臺背不均勻沉降問題，表明煤矸石作為依七高速路基回填填筑材料是完全可行的。

4 結束語

煤矸石作為一種常見的固體廢棄物，在堆積過程中不但占用了大量的寶貴土地資源且后期會排放出大量的有害氣體。通過項目實踐證明，煤矸石在依七高速公路路基工程中得到了成功的應用，解決了煤礦地區(qū)公路路基填筑取土難的同時，提高了煤炭廢棄固體利用率，實現了經濟建設和環(huán)境美化的雙贏。