基于隧道洞渣綜合利用的碎石加工廠規劃及設備選型分析

陳永進

中鐵十局集團第三建設有限公司 安徽合肥 230601

在工程建設領域，砂石料供應問題越來越成為影響工程進度的主要矛盾，而隧道施工過程中，產生的大量洞渣又會造成巨大的環保壓力。利用洞渣加工為砂石料，不僅可以解決砂石料供應問題，而且可以有效緩解環保壓力。但傳統的洞渣加工利用方法，一方面會造成嚴重的空氣、噪聲及水污染問題，另一方面加工出的碎石和機制砂質量不穩定，不能滿足高速鐵路工程建設需要。因此，工程上迫切需要一種優質高效的洞渣綜合利用方法。

1 工程背景

新建池州至黃山高速鐵路站前工程嶺上村隧道出口、竹木嶺隧道、半步嶺隧道和金子坑1號隧道位于安徽省黃山市黃山區境內，隧道圍巖以花崗閃長巖為主，弱風化的花崗閃長巖單軸抗壓強度普遍在60MPa以上，是良好的碎石加工母料。工程所在地位于皖南山區，交通不便，且臨近太平湖生態紅線，環保壓力大。安徽省內天然河砂較少，且合格率低，工程建設所需的河砂需從江西贛江及鄱陽湖調運，運距長、價格高且供應量無法有效保證。探索隧道洞渣綜合利用，對于解決工程建設所需的砂石料供應，緩解棄渣導致的環保壓力，降低工程建設成本具有極其重要的意義。

2 隧道出渣量分析

基于隧道洞渣綜合利用的碎石加工廠母料來源受制于隧道圍巖情況和開挖進尺，從圍巖角度分析，Ⅴ級圍巖洞渣不能用作碎石加工母料；Ⅳ級圍巖需經分揀后部分用作碎石加工母料，考慮50%利用，Ⅲ級圍巖全部可以用作母料。

表1 隧道出渣量計算

隧道總出渣量約79.4萬方，其中可用做碎石加工母料的洞渣約40.7萬方。

圖1 可用做碎石加工母料的洞渣月產量

從開挖進尺的角度分析，Ⅴ級圍巖月進度約45m，Ⅳ級圍巖月進度約80m，Ⅲ級圍巖月進度約120m，則可用做碎石加工母料的洞渣月產量如上圖所示，由圖可以，2020年6月，隧道開挖進入Ⅳ級圍巖，可用做碎石加工母料的洞渣開始出產，月產量為1.7萬噸，洞渣出產高峰期為2020年11月-2021年7月，月產量4-8萬噸，2022年7月以后，隧道內不再出產可用做母料的洞渣。整個生產周期為25個月，其中高峰期為7個月。

3 碎石加工廠產能選型計算

隧道洞渣屬于國家資源，在工程建設過程中，產生的洞渣可用于本工程建設，但不能對外出售，這就決定了在碎石加工廠的產能選型計算時，應重點考慮母料供應量決定的碎石加工廠產能以及為滿足工程需要的混凝土需求決定的碎石加工廠產能。碎石母料供應量、混凝土需要量根據施工生產計劃推算，生產混凝土的碎石和機制砂根據不同標號的混凝土的配合比推算。通過對已有數據的統計分析，洞渣加工為碎石過程中，可產出約50%的碎石、約35%的機制砂[1]。

圖2 碎石加工廠產能

隧道洞渣產量受圍巖等級影響很大，因而由隧道洞渣產量推算的碎石廠產能波動很大，高峰期達到2900噸/日，低谷期為400噸/日；由混凝土需求量推算的碎石廠產能則較為平穩，產能在1000噸/日上下波動。由此分析，可將碎石加工廠的產能定在1000噸/日。考慮作業人員休息及設備維修保養需要，碎石廠日運轉時間按10小時考慮，高峰期日運轉時間按15小時考慮，選擇加工能力為100噸/小時的碎石加工生產線。

4 碎石加工廠建設

4.1 碎石加工廠占地面積

碎石加工廠占地面積需考慮母料存放區、生產區、成品存放區、生活區，另外由于高速鐵路建設對原材料要求極高，碎石廠直接生產的機制砂需經水洗后才能用于鐵路工程建設，因而在規劃碎石加工廠占地面積時，還需要預留機制砂水洗用地。

碎石場洞渣存儲區按最大月富余量考慮，即V=6531.6×30/2=97974m3，考慮1.35的松散系數，洞渣松方量為132264.9m3，按平均堆積高度6m考慮，洞渣存放區面積22044m2，即33畝。碎石存儲區按最大周富余量考慮，即V=430.19×7/1.65=1505.67m3，按平均堆積高度3m考慮，洞渣存放區面積501.89m2，即0.8畝，規劃占地面積1畝。機制砂存儲區按最大月富余量考慮，即V=305×7/1.45=1472m3，按平均堆積高度3m考慮，機制砂存放區面積490m2，即0.7畝，規劃占地面積3.5畝。石粉存儲區按最大月富余量考慮，即V=225×30/1.4=4821m3，按平均堆積高度3m考慮，石粉存放區面積1608m2，即2.4畝，規劃占地面積2.5畝。加工區按100×60m布置，占地面積6000m2，即9畝。生活區采用自建活動板房的方式，按35m×15m布置，占地面積0.8畝。機制砂水洗場地按10畝考慮。則碎石加工廠規劃占地面積為59.7畝。

表2 碎石加工和存儲量統計表

表3 碎石加工廠選址經濟必選

4.2 碎石加工廠選址

為減少征地費用，降低環保壓力，碎石加工廠原則上宜選擇在設計棄渣場處，同時還應考慮母料至碎石廠以及生產出的碎石、機制砂到拌和站的運輸距離[2]。

本著經濟環保原則，本工程初步選址兩處，進行詳細的經濟必選，最終確定選址。

嶺上村隧道出口棄渣場運輸費和便道修筑費用741萬元，半步嶺隧道進口棄渣場運輸和便道修筑費用583萬元，綜合比選，碎石加工廠選址半步嶺隧道進口處棄渣場。

4.3 碎石加工廠設備選型

為確保加工的碎石和機制砂能滿足高鐵建設需要，經充分調查，選擇如表4所示碎石加工設備。

4.4 碎石加工廠水電配置

經測算，碎石加工生產線所有機械設備功率約為1200kW，考慮到辦公、生活及其他設備用電，整個加工廠的設備功率約為1400kW，計劃選配1臺800kW、1臺630kW的變壓器，從最近的接火點架設專線引入，滿足生活和生產用電需要。

碎石加工廠用水通過打井取水，綜合考慮施工用水和生活用水，以滿足碎石加工生產一天和清洗車輛和生活用水為標準，打鉆出水量為9m3/h的水井，并配備了滿足出水量的抽水設備，存入有效容量為90m3的蓄水池[3]。

5 碎石加工廠生產

5.1 碎石和機制砂加工工藝

表4 碎石加工廠設備配置表

圖3 碎石和機制砂生產工藝流程

洞渣主要通過碎石加工廠加工成5-10mm碎石、10-16mm碎石、16-31.5mm碎石、機制砂和石粉五種產品。

洞渣經初步分揀后，從各工點運輸到加工廠，由大料斗經過給料機篩選去掉含泥和風化巖石再傳輸到鄂破機進行破碎，由皮帶輸送機運輸到圓錐破進行第二次破碎，破碎后在輸送到

振動篩進行篩選，其中大于31.5mm的碎石經過返料輸送帶運至圓錐破碎機再次破碎，其余會經過立軸式破碎機再次破碎，最后再次通過振動篩和礦粉分離機分離處不同規格的碎石、機制砂和石粉。碎石經過整形制砂一體機破碎整形后運輸至料倉。其生產工藝如圖3。

5.2 碎石加工廠平面布置

碎石加工廠平面規劃應在充分調查工程所在地自然環境、地形地貌、地質狀況、既有道路利用條件的基礎上，根據生產線的數量、機制砂產量、機械設備特點等制定，并滿足工廠化和信息化的管理要求。按取石區、選料區（分揀區、合格母材存儲區）、喂料區、加工區、半成品與成品存放區、檢測區、計量區、廢料區、檢修通道和運輸安全通道進行統一規劃設置[4]。本工程碎石加工廠平面布置如圖4。

圖4 碎石加工廠平面布置圖

5.3 效益分析

本工程隧道總可利用方量約40.7萬方，預計可生產碎石44.2萬噸，考慮項目自用后，約盈余碎石9.9萬噸；預計可生產機制砂30.9萬噸，考慮項目自用后，約盈余機制砂7.38萬噸。該碎石廠計劃7月份投產，前期需外購碎石約4.5萬噸，外購河沙3.1萬噸。

根據隧道圍巖條件推算，單日最大洞渣加工需求量為2900t，峰值期為2021年2月，單日加工需求量大于1000t的月份為2020年11月-2021年7月，高峰期共12個月，計劃生產周期為25個月，高峰期占比48%。

按混凝土需求量推算的母料最大加工需求量為1263噸，峰值期為2021年1月，單日加工需求量小于1200d噸的月份占生產周期的92%，綜合考慮選擇產能100t/h的碎石加工生產線，高峰期日生產時間按12小時考慮，日產量1200噸，滿足碎石需求量要求。

6 結論

（1）基于隧道洞渣綜合利用的碎石加工廠需要從母料供應和混凝土需求兩個角度綜合分析選定碎石加工產能。

（2）碎石加工廠區規劃需要根據母料供應和加工能力，充分考慮各功能區劃分，尤其是要詳細計算母料和成品存放區面積，確定碎石加工廠選址和占地面積。

（3）總結出一套完善的碎石加工工藝流程和廠區平面布置，并初步進行了效益分析，可以為同類工程提供有益參考。