川藏鐵路西藏段沿線棄渣產出及特性分析

王眾樂 趙大銘 嚴志偉 王若晨 劉大剛

新建川藏鐵路雅安至林芝段全長約1 016.76 km，西藏段長545.56 km，新建隧道26座，總長470.723 km。經初步測算，西藏段將產生8 360.56×104 m3的巨量棄渣，同時需要大量的砂石骨料，線路穿越多種脆弱生態敏感區，而且地勢險峻，交通不便，面臨巨量棄渣處置與天然建材短缺的矛盾。為了分析川藏鐵路沿線各隧道及工區利用棄渣生產機制砂石骨料的可行性，為后續合理調配棄渣規劃提供基礎，文章通過對現有勘察設計資料整理統計分析，通過spss軟件對僅有的鉆孔樣本數據進行對數正態分布驗證分析，得到了各隧道預計產出的棄渣量，預估了西藏段不同圍巖巖性、圍巖等級所產出的渣土強度，認為絕大部分棄渣強度能滿足C30混凝土的要求。并結合現場篩分試驗，棄渣粒徑理論預測公式計算與工程經驗推斷本次工程棄渣鉆爆法約有0 %、TBM法約有20%不滿足混凝土骨料粒徑要求。

棄渣; 川藏鐵路; 隧道; 圍巖巖性; 巖石強度; 渣土粒徑

U215.2?? A

[定稿日期]2021-08-02

[作者簡介]王眾樂（1998～），男，碩士，研究方向為隧道及地下工程。

2020年11月8日，川藏鐵路（雅安至林芝段）開工動員大會在北京和川藏鐵路控制線工程色季拉山隧道、大渡河特大橋三地同時進行，標志著川藏鐵路正式開工建設。川藏鐵路線路全長約 1 577 km，設計速度 120～200 km/h，是西南腹地及華中、華東地區進出西藏最快速、便捷的客貨運輸主通道，也是支撐“一帶一路”倡議、實施長江經濟帶戰略的重要基礎設施。它對國家長治久安、鞏固邊疆穩定，促進沿線國土開發、整合旅游資源、引導產業布局，全面實現國家社會經濟可持續發展具有重要的戰略意義。

德國[1]早在20世紀70年代頒布了一系列關于廢物利用的法規。日本[2] 1997 年在編制的《建設資源再利用推進計劃》中即提出了建設發生土的有效利用目標，并將 2000年的利用率目標設定為 80 %。意大利[3]2006年提出隧道棄渣利用計劃。發達國家對建筑渣土的再利用起步早于我國。Olbrecht et al.[4]對盾構機產生的隧道棄渣是否可作為混凝土骨料開展了5項試驗研究，認為未經處理的渣土也可能直接用于混凝土拌和。Gertsch et al.[5]認為對于符合建筑材料標準的TBM法施工產生的硬質巖棄渣可用作混凝土骨料。西成客專[6]建設項目中，篩選母巖強度60 MPa以上的棄渣生產細度模數2.5～3.3的機制砂，用于制備強度等級C35及以下的混凝土。鳳凰嶺隧道[7]將棄渣中的碎石用于混凝土，片石用于修筑護坡、擋墻、排水溝渠等圬工砌筑、隧道明洞和仰拱填充等，利用率達66 %。雁楠公路[8]取隧道棄渣作為V型溝谷高填方路堤填筑材料，并使用格賓擋墻對邊坡進行加固，采用路基代替橋梁方案，提高了隧道棄渣利用率，節省了工程用地和投資。

棄渣是一種資源，國外從上世紀就已經開始著手對其進行再利用，并達到了十分高的利用水平。而我國的棄渣資源再利用仍處于起步階段。文本旨在對進行棄渣產量、強度、粒徑分析，為進一步的研究川藏鐵路棄渣高效利用提供基礎資料，以解決雅林段巨量棄渣產出與天然砂石骨料短缺的矛盾。

1 工程背景

川藏鐵路雅安至林芝段全長約 1 016.76 km，擬新建隧道 72 座，總長約 837.23 km，隧線占比高達82.3 %。據初步測算，川藏鐵路建設過程將產生約1.5×108 m3的巨量棄渣。其中，西藏段約540 km，橋隧比96%，線路跨金沙江后，經貢覺、昌都、邦達，跨怒江、穿伯舒拉嶺至波密、林芝。隧道26座總長約471 km，有全線第一長隧42.4 km的易貢隧道、第一高海拔隧道——果拉山隧道（軌面最高4 470 m）、最大埋深隧道——拉月隧道（最大埋深2 080 m），隧道工程分布密集，規模尤為突出，處理這些棄渣不僅需要征用大量永久用地，棄渣的運輸、維護費用同樣巨大。線路平縱斷面見圖1（源自中鐵第一勘察設計院）。

圖1 川藏鐵路雅林段線路平縱斷面

川藏鐵路所經區域是全球生物多樣性25個熱點地區之一，也是我國35個生物多樣性有限保護區域之一，工程經過國家生態安全戰略格局中“青藏高原生態屏障”和“黃土高原-川滇生態屏障”;線路穿越原始森林、高原草甸、高原濕地、干旱河谷等多種脆弱生態敏感區，有眾多珍稀保護野生動植物，沿線自然環境惡劣，高海拔、低壓缺氧，生態環境易遭破壞且難以恢復。

川藏鐵路沿線地勢險峻、山高坡陡、河谷深切，嶺谷相間排列，其相對高差 2 000～3 000 m，地形條件極為復雜，受峽谷地形和環境敏感區限制，棄渣場地設置困難，個別隧道棄渣運距長達數十公里，棄渣處理和水土流失防控難度大;此外，工程建設還需要大量的建筑材料，據初步測算，全線建設約需砂石料1.1×108 m3，由于沿線多處于高原地區，環境惡劣、人口稀少、經濟基礎薄弱，交通基礎設施配套嚴重不足，導致工程建材供應十分困難。

2 川藏鐵路西藏段棄渣產出分析

2.1 棄渣產量分析

新建川藏鐵路雅林段在西藏境內長545.56 km，新（改）建車站13座，新建隧道26座，共長470.723 m，隧道開挖預計共產生棄渣8 360.56×104 m3，設計114處棄渣場，占地1 236 ha。為了依靠城市，結合沿線環境特點處理棄渣，將鐵路分成了三段，各段隧道棄渣產量詳細見表1。

2.2 棄渣原巖的圍巖級別

西藏段隧道圍巖以III，IV，V級為主，且表現為越遠離四川境內圍巖情況越好的趨勢，為波密到林芝的棄渣利用率達到100 %創造了先天條件。各段圍巖級別占比見圖2～圖4。

2.3 棄渣原巖巖性

根據僅有的波密至林芝段地質勘探和深孔鉆探揭示的地層巖性，發現本段隧道經歷地層巖性以花崗巖、閃長巖、片麻巖、輝長巖為主，隧道埋深附近以花崗巖和片麻巖為主。片麻巖占比54 %，花崗巖占比40 %，其他地層巖性，包括斷層壓碎巖、蝕變帶和出入口的漂石、砂土等占比6 %，見圖5。由現階段的鉆探揭示，新建川藏線原巖礦物成分以石英、長石、云母為主，有利于隧道棄渣再利用。

3 棄渣特性分析

3.1 棄渣強度分析

根據現僅有波密到林芝段沿線巖石鉆孔試驗數據，利用SPSS軟件進行了對數正態分布擬合，發現圍巖等級、巖性與巖石強度的關系見圖6～圖9。得到置信度為95 %條件下，本工程片麻巖、花崗巖類棄渣巖石強度取值范圍分別為53.89～142.35 MPa和53.83～137.64 MPa。III、IV級圍巖強度分別為60.68～139.61 MPa和48.96～137.81 MPa。V級圍巖的鉆孔數據量有限，不足以進行擬合分析，根據線性插值，得出95 %置信度強度取值范圍為58.51～98.08 MPa。按規范[9]要求骨料原巖強度需大于混凝土強度的1.5倍，所以絕大部分棄渣滿足C30混凝土對骨料強度的要求。

3.2 棄渣粒徑分布預測

除孜拉山隧道、果拉山隧道、伯舒拉嶺隧道、色季拉山隧道4座隧道采用TBM法為主，鉆爆法輔助施工的方式，其余隧道均采用鉆爆法施工。

由于新建川藏鐵路并未真正意義上動工，利用現有條件，為探究TBM法施工花崗巖性棄渣的粒徑分布，在地層條件與施工工法相似的青島某地鐵隧道進行了8組（III2級圍巖和IV2級圍巖各4組）現場篩分試驗。取樣工點巖性主要為鉀長花崗斑巖，正長花崗巖和二長花崗巖，TBM掘進參數見表2。

分析篩分結果發現IV2級圍巖顆粒粒徑小于0.315 mm的占比不大于1 %，絕大部分能滿足混凝土骨料對于粒徑的要求;III2級圍巖顆粒粒徑全都在0.315 mm以上，全部滿足混凝土骨料對于粒徑的要求。

在巖石力學研究領域，Rosin-Rammler分布函數常被用于分析破碎及爆破方式的破碎巖渣，TBM法預測公式[10]：

R（Dp）=1-exp[-b（Dp）a]（1）

式中：R（Dp）為篩下的殘余質量百分比%;Dp為粒徑，即篩孔的尺寸mm;a為均勻分布常數，表征巖渣顆粒的分布均勻程度，一般情況下，參數a越小，則巖渣粒徑分布范圍越廣，粒徑分布越均勻;反之，越不均勻。b為擬合常數。

所以，只要知道Rosin-Rammler分布函數中的a、b值，就可以推算出粒徑的分布情況。僅發現了一組具有參考價值的參數[11]：在TBM平均推力8 000 kN的情況下，a=0.8666，b=0.1022。可計算得到，該種情況下有18.84 %的渣土粒徑小于0.160 mm，不滿足混凝土骨料的粒徑要求。

鉆爆法預測公式[12]：

R=exp-（xxe）n（2）

式中：

n=（2.2-1.4B/d）（1-W/B）（1+（A-1）/2）LH（3）

XC=（0.693）1n（4）

式中：R為粒徑比x大的巖塊部分，即篩上的物料比;X為碎塊直徑，cm;Xc為特征塊度，cm;n為均勻度指標，如果使用錯開形炮孔布置，則n增大10%;B為最小抵抗線，m;d為炮孔直徑，mm;W為鑿巖精度的標準誤差，m;A為孔距/最小抵抗線;L為底板標高以上藥包長度，m;H為臺階高度，m;為平均塊度，cm。

平均塊度的含義實際上是指巖堆中有一半巖石能夠通過那種篩網的網目尺寸，可按V.M.Kuznetsov方程計算：

=fV0Q0.8Q1/6（5）

式中：f為巖石系數，中硬巖為7，多裂隙硬巖為10，少裂隙極硬巖為13;Q為 TNT質量（kg），能量相當于一個炮孔的裝藥量，使用其他炸藥時應進行當量換算;V0為每個炮孔爆破的巖石體積=抵抗線長度×孔距×臺階高（m3）。

例如：花崗巖地層隧道鉆爆法施工，巖石系數可取f=12，當臺階高H=6.12 m，孔距d=2.2 m，最小抵抗線B=55 cm，鑿巖精度誤差W=0.2 m，孔距70 cm，所以A=70/55=1.27，底板標高以上藥包長度L=1.5 m，臺階高度H=6.12 m，裝藥量Q=1.5 kg。由計算可得，該種開挖工況下100 %的渣土粒徑大于0.160 mm，即鉆爆法全部渣土粒徑能滿足細骨料的最低要求。

結合理論計算、現場試驗數據與以往工程經驗，推斷本次工程棄渣鉆爆法約有0 %、TBM法約有20 %不滿足骨料粒徑要求。

4 結論與建議

（1）通過分析巖石鉆孔試驗數據得到了不同巖性、不同圍巖等級（原巖）的棄渣強度區間，認為絕大部分棄渣強度可滿足C30混凝土的要求。

（2）結合理論計算、現場試驗數據與以往工程經驗，推斷本次工程中鉆爆法施工產生的棄渣粒徑全部滿足、TBM法施工產生的棄渣中分別約有80 %滿足混凝土骨料粒徑要求。

參考文獻

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