山區(qū)鐵路隧道棄渣利用與施工組織設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

石天奇SHI Tian-qi

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

0 引言

截至2022 年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)15.5 萬(wàn)公里，其中高鐵4.2 萬(wàn)公里。隨著平原地區(qū)路網(wǎng)逐漸形成，鐵路建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)將由平原逐漸向山區(qū)轉(zhuǎn)移。山區(qū)鐵路橋隧占比高、砂石需求量較大，受施工組織、施工工藝、建設(shè)管理?xiàng)l件等各方面限制，目前山區(qū)鐵路項(xiàng)目對(duì)隧道棄渣的使用率較低。若隧道棄渣無(wú)法合理利用，勢(shì)必增加隧道棄渣量和石料外借量，進(jìn)而影響山區(qū)鐵路沿線生態(tài)環(huán)境，造成資源浪費(fèi)。因此，開(kāi)展山區(qū)鐵路隧道棄渣利用與施工組織設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化研究對(duì)解決隧道棄渣使用率低的問(wèn)題具有十分重要的意義。

Jayawardane[1]等簡(jiǎn)化施工過(guò)程中開(kāi)挖和填筑的時(shí)間因素，基于整數(shù)規(guī)劃建立施工進(jìn)度和土石方調(diào)配聯(lián)合模型，進(jìn)一步優(yōu)化了土石利用情況。Hp.Olbrecht[2-3]等研究發(fā)現(xiàn)隧道棄渣在滿足規(guī)范要求的條件下可以用作高性能混凝土粗骨料。Mohamed Karimi[4]等建立了公路工程模糊線性規(guī)劃土石方調(diào)配模型。曹生榮[5]等考慮了土石方調(diào)配與施工進(jìn)度的時(shí)空效應(yīng)，優(yōu)化土石方調(diào)配線性規(guī)劃模型。段劍峰[6]參照鐵路工程高性能混凝土規(guī)范要求，從施工工期、隧道圍巖分布情況、棄渣運(yùn)輸距離等多個(gè)角度，總結(jié)了建設(shè)項(xiàng)目隧道棄渣的利用數(shù)量以及其對(duì)工程投資的影響規(guī)律。劉宇[7]等結(jié)合宜昌市水土保持現(xiàn)狀，通過(guò)信息化平臺(tái)共享土石資源、布局倉(cāng)儲(chǔ)基地科學(xué)規(guī)劃土石資源、建立高標(biāo)準(zhǔn)棄渣場(chǎng)，推動(dòng)建設(shè)項(xiàng)目土石資源供需平衡。黃丙湖[8]等建立了修正蟻群算法計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了土石方調(diào)配可視化。張仲勇[9]等調(diào)整土石開(kāi)挖、填筑和工程進(jìn)度等決策變量，進(jìn)一步優(yōu)化土石方調(diào)配對(duì)工程投資產(chǎn)生的影響。張璐[10]采用了玄武巖棄渣用作高速公路混凝土骨料，減緩了項(xiàng)目混凝土骨料供應(yīng)量不足的問(wèn)題。黃法禮[11]總結(jié)了隧道棄渣資源化利用的研究現(xiàn)狀仍處于初級(jí)階段，和建筑材料資源匱乏矛盾。于得水[12]利用隧道棄渣加工形成的機(jī)制砂作為試驗(yàn)對(duì)象，分析了機(jī)制砂應(yīng)用于C50 混凝土的物理力學(xué)性能可行性。周博[13]以經(jīng)濟(jì)成本為目標(biāo)分析了在建沈白高鐵隧道棄渣利用適用性。童源[14]研究了巖體應(yīng)力、圍巖巖性等不同地質(zhì)環(huán)境條件下，提出了隧道棄渣環(huán)保利用方法。嚴(yán)志偉[15]等以典型段隧道為依托，提出了隧道棄渣多元化利用模式。目前，隧道棄渣利用基本上只是進(jìn)行了原則性的闡述，輔以理想條件下的施工組織設(shè)計(jì)，未充分考慮隧道棄渣使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性和施工組織設(shè)計(jì)的可調(diào)整性，得出具有普適性的隧道棄渣利用方案無(wú)法滿足實(shí)際工程需要。因此，本文綜合考慮隧道棄渣加工碎石的成品率和經(jīng)濟(jì)成本，建立隧道棄渣可利用范圍公式模型，分析不同時(shí)間下隧道棄渣供應(yīng)與實(shí)際工程中混凝土需求關(guān)系變化特征，以便為同類山區(qū)鐵路建設(shè)項(xiàng)目隧道棄渣利用提供理論參考和技術(shù)支持。

1 隧道棄渣利用范圍研究

山區(qū)鐵路石料的需求量是棄渣使用量與石料外借量的總和，由于每個(gè)項(xiàng)目的棄渣需求量是一定的，當(dāng)棄渣的使用量越高，則表明發(fā)生外借的情況越少，外借量就越低。山區(qū)鐵路隧道棄渣利用按混凝土粗骨料為先，其中II 級(jí)圍巖碎石成品率prII為53.8%，III 級(jí)圍巖碎石成品率prIII為43.4%[16]。在確定工程棄渣利用做混凝土粗骨料前，需了解鐵路沿線地質(zhì)質(zhì)巖性以及隧道圍巖分布情況，合理確定隧道棄渣可利用數(shù)量。

1.1 山區(qū)鐵路主要工程混凝土需求量分析

結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和既有研究成果，統(tǒng)計(jì)分析了山嶺地區(qū)不同設(shè)計(jì)時(shí)速鐵路的主要工程混凝土需求量d，見(jiàn)表1。單線山區(qū)鐵路路基工程混凝土需求量ds1為13.20m3/m，橋梁工程混凝土需求量db1為24.11m3/m，隧道工程混凝土需求量dt1為13.67m3/m。雙線山區(qū)鐵路路基工程混凝土需求量ds2為17.06m3/m，橋梁工程混凝土需求量db2為24.36m3/m，隧道工程混凝土需求量dt2為28.70m3/m。根據(jù)統(tǒng)計(jì)不同項(xiàng)目主要工程的混凝土需求量結(jié)果可知，在實(shí)際棄渣調(diào)配過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先供給距棄渣產(chǎn)生工點(diǎn)較近的隧道和橋梁工程，其次考慮路基工程。

表1 山區(qū)鐵路主要工程混凝土需求量統(tǒng)計(jì)表

1.2 混凝土粗骨料體積率

混凝土是鐵路施工中必不可少且消耗量巨大的一種工程材料，其主要由普通水泥、碎石、中粗砂、粉煤灰、減水劑、水等材料組成。合格的隧道棄渣加工破碎后可以替代碎石，作為混凝土粗骨料。通過(guò)查閱《鐵路工程基本定額》（國(guó)鐵科法[2017]33 號(hào)）得到單位等級(jí)混凝土中粗骨料（碎石）的占比[17]，如表2 所示。混凝土等級(jí)越高，粗骨料所占比重隨之降低，粗骨料在混凝土中的占比R 約為74.89%。低等級(jí)混凝土主要應(yīng)用于墊層混凝土、附屬混凝土中，主體工程混凝土等級(jí)一般較高。

表2 單位體積混凝土粗骨料（碎石）占比統(tǒng)計(jì)表

1.3 施工工期

長(zhǎng)大隧道的工期較長(zhǎng)，一般情況下均為控制工程，長(zhǎng)大隧道相鄰工點(diǎn)相比該隧道工期較短。隧道棄渣可利用范圍主要包括巖性較好的II、III 級(jí)圍巖，而隧道進(jìn)出口工區(qū)往往圍巖等級(jí)較差，因此隧道棄渣利用做混凝土粗骨料存在一定的滯后性。根據(jù)上述分析得到的圍巖碎石成品率pr、主要工程混凝土需求量d 和混凝土粗骨料體積率R，計(jì)算各級(jí)圍巖棄渣理論混凝土提供量C，見(jiàn)表3。

表3 混凝土需求量與隧道棄渣量關(guān)系表

通過(guò)以上分析得到混凝土需求量與隧道棄渣供應(yīng)量的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系變化規(guī)律，見(jiàn)圖1。圖中混凝土需求曲線與隧道棄渣供應(yīng)曲線相交部分即為可利用隧道棄渣范圍。階段①：隧道進(jìn)口工區(qū)圍巖等級(jí)普遍較差，隧道棄渣不能滿足利用條件，混凝土粗骨料絕大部分由外購(gòu)解決；階段②：部分隧道開(kāi)挖至II、III 級(jí)圍巖地段，可以利用隧道棄渣量持續(xù)增加，但仍不能滿足路、橋、隧各主要工程的混凝土需求量；階段③：可利用隧道棄渣量達(dá)到峰值，根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在都不考慮多個(gè)施工斷面的情況下，每開(kāi)挖單位延米隧道II 級(jí)圍巖產(chǎn)生的可利用隧道棄渣量略低于單位延米路基、橋梁、隧道同時(shí)施工的混凝土用量。因此，在路基、橋梁施工期間隧道開(kāi)挖所產(chǎn)生棄渣量可以近似認(rèn)為其全部可以利用（如隧道多斷面開(kāi)挖，產(chǎn)生多余的隧道棄渣可以儲(chǔ)存至混凝土拌合站料倉(cāng)內(nèi)）；階段④：路基、橋梁段陸續(xù)完工，此時(shí)隧道開(kāi)挖產(chǎn)生棄渣量大于工程施工需求量，僅能利用部分棄渣；階段⑤：僅剩隧道施工，該階段中隧道棄渣僅用于本隧道施工，一部分棄渣可以儲(chǔ)存至混凝土拌合站料倉(cāng)，用于隧道出口工區(qū)施工，剩余棄渣將運(yùn)至棄渣場(chǎng)。

圖1 混凝土需求量與隧道棄渣供應(yīng)量的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系示意圖

因此，路基、橋梁工程在施工期間應(yīng)盡可能利用隧道棄渣，由于隧道工期普遍較路基、橋梁工期更長(zhǎng)，可以在條件允許的情況下盡可能推遲路基、橋梁工程施工起始時(shí)間，首先進(jìn)行隧道施工。在此條件下，假定可利用隧道棄渣量為G，路基、橋梁、隧道同步施工期間混凝土需求量分別為：ds、db、dt，該時(shí)間段內(nèi)開(kāi)挖隧道II、III 級(jí)圍巖長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)II、LIII，隧道剩余工程施工期間混凝土需求量為qs，開(kāi)挖隧道II、III 級(jí)圍巖長(zhǎng)度為lII、lIII，則可以得出可利用隧道棄渣范圍G。

2 混凝土需求量峰值分析

整理山區(qū)鐵路建設(shè)項(xiàng)目路基、橋梁和隧道工程里程分部，估算沿線各工點(diǎn)混凝土骨料需求量，利用沿線交通運(yùn)輸條件和運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備，結(jié)合實(shí)際材料供應(yīng)計(jì)劃，梳理對(duì)施工工期影響較大的長(zhǎng)大重隧道，設(shè)置全線混凝土粗骨料運(yùn)輸方案。其中，骨料加工場(chǎng)的碎石供應(yīng)量應(yīng)大于沿線各工程混凝土需求量峰值之和。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，參考《鐵路工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（QC/R9004-20108）中無(wú)砟軌道施工進(jìn)度指標(biāo)[18]，鐵路項(xiàng)目混凝土峰值需求一般出現(xiàn)在路基地基處理、橋梁鉆孔樁、承臺(tái)、墩身、特殊孔跨（部分）及隧道襯砌混凝土同時(shí)施工期間。無(wú)砟軌道在橋梁下部工程和隧道襯砌工程施工完畢后施工，混凝土需求不會(huì)出現(xiàn)峰值，峰值混凝土計(jì)算時(shí)不考慮。

式中：Qy為骨料加工場(chǎng)碎石供應(yīng)量，單位m3。

同時(shí)，骨料加工實(shí)際成本F2應(yīng)低于外購(gòu)混凝土骨料成本F1，由于鐵路工程隧道施工工藝不斷進(jìn)步，特別位于山嶺地區(qū)的重點(diǎn)工程，混凝土骨料加工實(shí)際成本受當(dāng)?shù)剡\(yùn)輸單價(jià)K 和骨料加工場(chǎng)與混凝土拌合站運(yùn)輸距離μ 的影響較大。當(dāng)運(yùn)輸成本高時(shí)，工點(diǎn)將不采用來(lái)自隧道棄渣的骨料，會(huì)引起外借率升高；反之，運(yùn)輸成本低時(shí)，外借率也會(huì)降低。

3 結(jié)論

①I(mǎi)I 級(jí)圍巖碎石成品率prII為53.8%，III 級(jí)圍巖碎石成品率prIII為43.4%，并得到了山區(qū)鐵路路基、橋梁和隧道工程混凝土需求量以及混凝土粗骨料體積率。

②分析了混凝土需求量與隧道棄渣供應(yīng)量的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系變化規(guī)律，共分為五個(gè)階段，通過(guò)調(diào)整施工組織設(shè)計(jì)模型，增加了階段②～④的隧道棄渣使用量，將可利用隧道棄渣范圍公式化，提高了隧道出渣計(jì)劃和施工組織設(shè)計(jì)的匹配程度。

③考慮隧道棄渣使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性，在滿足骨料加工實(shí)際成本低于外購(gòu)混凝土骨料成本的條件下，骨料加工場(chǎng)的碎石供應(yīng)量應(yīng)大于沿線各工程混凝土需求量峰值之和。