隧道洞渣建筑材料資源化應(yīng)用研究現(xiàn)狀與存在問題分析

黃法禮，李化建，王振，易忠來，靳昊，溫浩

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

砂石骨料是鐵路、公路、水利等工程建設(shè)用量最大、不可或缺的基礎(chǔ)材料，據(jù)統(tǒng)計，我國每年砂石骨料需求量高達200多億t。隨著工程建設(shè)對砂石骨料要求越來越高和國家、地區(qū)砂石限采政策的實施，我國優(yōu)質(zhì)天然砂資源日漸短缺，很多地區(qū)經(jīng)歷了由小幅漲價、大幅漲價、缺貨、搶貨到無貨可搶的發(fā)展過程，不僅使工程造價大幅提高，也嚴重影響施工工期。隨著我國高速鐵路工程建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程數(shù)量不斷攀升（見圖1），截至2018年底，我國共建成高速鐵路隧道3 028座，總長度約4 896 km，占高速鐵路線路總長度的16.9%。當前，我國交通工程建設(shè)正向中西部轉(zhuǎn)移，受地形條件的影響，中西部交通工程選線過程中常采用隧道方案穿山越嶺，在山巒起伏地區(qū)常出現(xiàn)大量隧道群，其所占線路總長度的比例越來越大。例如，建設(shè)中的鄭萬鐵路重慶段隧道比例高達92%，即將開工建設(shè)的西康高鐵隧道比例高達82%，規(guī)劃中的川藏鐵路（雅安—拉林段）隧道比例高達84%。隧道工程眾多使隧道洞渣量巨大且處理困難，不僅需要征用大量永久用地，棄渣的運輸、維護費用巨大。隧道施工中建筑材料需求量很大，在地材資源不豐富的中西部地區(qū)，大宗建筑材料運輸將大幅增加工程建設(shè)成本。如將隧道洞渣棄渣加以利用，不但可減少棄渣場和棄渣數(shù)量，降低對環(huán)境的危害，還可以變廢為寶，降低工程造價，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。這不僅是發(fā)展綠色交通的需要，也對環(huán)境保護的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是資源節(jié)約型、環(huán)境友好型發(fā)展的具體實踐，更是造福于民、福蔭后代的重大舉措。

圖1 我國已投入運營的高速鐵路隧道情況

1 隧道洞渣的特點

（1）危害大：隧道洞渣的數(shù)量依據(jù)隧道規(guī)模而變化，從幾萬立方米到幾百萬立方米不等。在公路、軌道交通工程中，隧道洞渣沿隧道走向分布，棄渣處置點分散，影響區(qū)域較大。而棄渣場一般位于溝谷之中，棄渣自然堆放，一般不碾壓整理，結(jié)構(gòu)松散，孔隙率大，降水入滲快，且大量棄渣堆放將破壞工程建設(shè)區(qū)和工程直接影響區(qū)內(nèi)原有地表植被，在暴雨作用下很容易造成極為嚴重的水土流失，有時還可能形成泥石流，甚至誘發(fā)滑坡災害。更為嚴重的是，大量棄渣若直接堆放在河灘、河岸及支溝內(nèi)，雨量較大時將隨徑流流入或直接滑入河道，使河道淤積、抬高河床，影響河道的過流能力，對工程區(qū)及下游地區(qū)的防洪和當?shù)厝嗣袢罕姷纳⒇敭a(chǎn)及生存環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅。同時，由于棄渣不密實，若在上面進行填土造地，易造成耕植層失水，降低土地使用效益。棄渣表面未作植被處理是沙塵的起源，如果棄渣中含有有害物質(zhì)，則會對水土造成污染。

（2）性能波動大：對于開采礦山資源，除在選礦等環(huán)節(jié)存在優(yōu)勢外，其挖深和走向可根據(jù)材質(zhì)等情況臨時改變，從而保證母材和成品的巖性單一、性能穩(wěn)定。對于隧道洞渣，其開挖截面尺寸和走向需嚴格按照設(shè)計進行。由于呈條帶狀開挖出料，跨區(qū)域大，性能波動也會相對較大。尤其是在高速鐵路建設(shè)中，由于高速鐵路線路曲線半徑大，選線設(shè)計過程中難于規(guī)避不良地質(zhì)，洞渣性能的不確定程度高。因此，在隧道洞渣資源化利用前應(yīng)對其性能進行進一步判定。例如，用作混凝土骨料的隧道洞渣應(yīng)避免含有大量脆性礦物（黏土、石膏、滑石）、非常堅硬的礦物（石榴石）及片狀和纖維狀礦物（云母、石墨、石棉），同時應(yīng)注意高溶解度（氯化物、硫酸鹽、石膏）、低耐蝕性（硬石膏、黃鐵礦）和堿活性組分對混凝土性能造成的負面影響[1]。

（3）清潔度低：相比于直接開采的礦山資源，隧道洞渣品質(zhì)受圍巖質(zhì)量及開挖、運輸過程的影響，易夾雜土質(zhì)，清潔程度相對較低，因此洞渣的利用需采取適當?shù)某s除土措施。

2 影響隧道洞渣性能的主要因素

（1）圍巖級別：隧道工程圍巖級別劃分的理論和方法較多，但其主要評判依據(jù)大都是巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面特征、巖塊強度、巖石類型、風化程度、地下水、地應(yīng)力等。TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[2]中將圍巖分成6個級別，圍巖級別越小，意味著開挖的隧道洞渣品質(zhì)越好，越有利于其建筑材料的資源化利用。但是圍巖等級低的洞渣不一定滿足制備砂石料的要求，實踐表明Ⅳ/Ⅴ級圍巖的玄武巖滿足作為砂石料料源的標準要求，而圍巖等級較低的頁巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r不宜用作原料生產(chǎn)砂石料。設(shè)計階段對圍巖級別的判定依據(jù)是地質(zhì)勘測階段的成果，對水電工程這類投入大量工程地質(zhì)勘察工作的工程較為適用，但對公路和鐵路這類現(xiàn)狀工程和勘察工作量較小的工程適用性較差。例如，美國科羅拉多州羅伯特隧道地面測繪確定的斷層和巖脈是隧道開挖中遇到的斷層和巖脈的1%～9%，即使是較大的斷層和巖脈，測繪確定的也僅是開挖遇到的12%～47%。

（2）開挖方式：隨著我國交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，隧道數(shù)量和規(guī)模有了很大發(fā)展，施工技術(shù)也有了很大提高。目前，隧道工程礦山施工中，普遍采用新奧法，巖石隧道在工程施工中采用鉆爆法掘進。Grunner等[3]指出，不同開挖方式產(chǎn)生的隧道洞渣在大小、形狀和清潔度方面存在較大差異，采用TBM開挖的隧道洞渣在粒徑上適合用作混凝土骨料，而采用傳統(tǒng)鉆爆法施工獲得的洞渣品質(zhì)因圍巖自身狀態(tài)和所采用爆破方式的不同而不同。Bellopede等[4]認為TBM開挖方式相當于鉆爆法開挖方式所用炸藥量1.5倍的效果，因此，產(chǎn)生的細小顆粒更多（見圖2）。此外對比研究了TBM、EPB和傳統(tǒng)開挖方式開挖的隧道洞渣建筑材料資源化利用的可行性，結(jié)果表明，與EPB和傳統(tǒng)開挖方式相比，TBM開挖方式產(chǎn)生的隧道洞渣針片狀顆粒含量高且表面粗糙，不適宜直接用作混凝土骨料，需對其進行整形加工后方可利用[5]。

圖2 TBM開挖方式和鉆爆開挖方式產(chǎn)生的開挖料粒徑分布

3 隧道洞渣資源化利用現(xiàn)狀

隧道洞渣是隧道開挖過程中的主要產(chǎn)物，對于不同的隧道圍巖施工，隧道洞渣的種類繁多，其資源化利用應(yīng)在充分考慮隧道圍巖級別、開挖方法和洞渣物理化學性質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)要求，選用合適的隧道洞渣。從我國隧道洞渣資源化利用情況來看，主要有以下幾方面應(yīng)用：一是墊砌填方段路基；二是回填取土場凹地；三是開挖地段的地貌恢復，充填平整低洼坑地，進行土地整治平整，填筑溝壑；四是用于淤背護堤、橋涵臺背、擋墻等的回填用方；五是加高培厚河流堤防、加高地基；六是地基處理中的渣石料或復合地基的用料；七是棄石用于建設(shè)景觀園區(qū)，修建人工景點等設(shè)施。極少用于生產(chǎn)砂石料進而應(yīng)用于混凝土中。

3.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

從國外隧道洞渣資源化利用情況來看，目前主要集中在洞渣能否作為混凝土骨料的實驗室技術(shù)論證性研究上，2006年意大利提出隧道洞渣利用計劃，瑞士等國也試圖利用洞渣生產(chǎn)砂石骨料用于混凝土，并取得了一定的研究成果。Olbrecht等[6]對盾構(gòu)機產(chǎn)生的隧道洞渣是否可作為混凝土骨料開展了5項試驗研究，認為隧道洞渣作為一種“廢棄產(chǎn)品”可用于隧道建設(shè)本身，另外針對不同洞渣特點采用合理的混凝土技術(shù)，可實現(xiàn)隧道洞渣在混凝土中的應(yīng)用。Gertsch等[7]認為，目前人們對隧道洞渣的認識不充分，導致其很少用于工程建設(shè)中，指出對于符合建筑材料標準的硬質(zhì)巖洞渣可用于路面混凝土和結(jié)構(gòu)混凝土中。

3.2 我國應(yīng)用現(xiàn)狀

在忻阜高速公路工程中對隧道洞渣進行了大量應(yīng)用[8]。全線開挖洞渣量達240余萬m3，主要用于路堤填料、圬工砌筑、機制砂加工、碎石加工、隧道明洞及仰拱回填等，利用率達66%，節(jié)約洞渣占地超133 000 m2（200余畝），節(jié)約造價約5 000萬元，體現(xiàn)出很好的經(jīng)濟效益和社會效益。在黃衢南高速公路工程浙江段項目實施過程中，設(shè)置了石料加工場，對隧道洞渣進行資源化利用，產(chǎn)生經(jīng)濟效益約800萬元[9]。在湖南常德—吉首高速公路項目中也對隧道洞渣進行了資源化利用[10]，由于隧道洞渣主要為弱-微風化砂質(zhì)板巖，經(jīng)機械破碎后為細粒土礫，通過將細粒土礫與土組成礫石混合料后，作為路基路床層的填料。在西成客運專線建設(shè)項目中，以Ⅱ、Ⅲ級圍巖為主，剔除泥巖、風化巖和吸水率高的板巖后，篩選出母巖強度≥60 MPa以上的洞渣生產(chǎn)細度模數(shù)2.5～3.3的機制砂，用于制備強度等級C35及以下的混凝土[11]。在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，機制砂石粉含量、顆粒級配對混凝土的工作性能和強度會產(chǎn)生較大影響，需對不同批次機制砂及時檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對混凝土砂率、減水劑摻量等關(guān)鍵配合比參數(shù)進行調(diào)整。在宜巴高速公路建設(shè)項目中，利用隧道洞渣制備碎石、機制砂作為粗細骨料，用于隧道襯砌和橋梁樁基、墩柱等結(jié)構(gòu)混凝土中[12]，均取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前隧道洞渣的砂石料生產(chǎn)加工主要是礦山砂石料場代工的方式，其加工方式及工藝水平參差不齊。整體來看，現(xiàn)有砂石料場以產(chǎn)能不足60 t/h的小砂石料場為主，生產(chǎn)工藝簡單。近幾年，京、滬、粵等地區(qū)出現(xiàn)了一些稍具規(guī)模的砂石料場，產(chǎn)能100～200 t/h，一般采用2段破碎與篩分構(gòu)成閉路的流程作業(yè)。少數(shù)砂石場采用生產(chǎn)工藝先進、自動化水平較高的生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)能力可達500～800 t/h。

我國學者在機制砂混凝土性能研究方面已有不少探索，主要集中在機制砂中石粉合理限值、機制砂對混凝土工作性能的影響及機制砂混凝土力學性能、體積穩(wěn)定性和耐久性能演變規(guī)律等。尹志府[13]通過大量試驗數(shù)據(jù)回歸分析出機制砂混凝土的強度統(tǒng)計公式，研究結(jié)果表明，與河砂混凝土相比，當水灰比相同時，機制砂混凝土的強度略高。張映全[14]也提出在混凝土中以50%的石屑取代50%中砂能極大提高混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能。廖太昌[15]提出用特細砂改善機制砂級配，可配制出泵送性能良好的混凝土，并解決了機制砂配制流態(tài)混凝土內(nèi)實外不美的難題。李化建[16]采用機制砂與特細砂復合方式，制備出強度等級在C50～C60的復合砂高強結(jié)構(gòu)輕集料混凝土。楊德斌等[17]在大量試驗的基礎(chǔ)上，論述了石屑提高混凝土強度、改善抗?jié)B性能與抗凍性能的機理。中國鐵道科學研究院集團有限公司的研究證明，在水泥用量和拌合物稠度相等的條件下，采用機制砂配制的混凝土各項力學性能與河砂混凝土相比更好一些[18]。Ahemd等[19]在控制拌合物坍落度不變的前提下，研究了不同石粉含量（10%～20%）的機制砂對混凝土抗壓強度的影響，研究表明，隨著石粉含量的增加，混凝土抗壓強度呈線性下降的趨勢，這是因為保證相同坍落度而用水量增加的結(jié)果；另外，當控制水灰比為0.70不變時，隨著石粉含量從0到20%逐漸增大，其抗壓強度有上升趨勢；但當水灰比固定為0.53時，石粉含量變化對其抗壓強度的影響又變得不明顯；當水灰比固定為0.40、石粉含量從10%增加到20%時，強度先增大后減小，石粉含量達到20%時，混凝土強度與同配比的天然砂強度相當。

4 存在問題分析

（1）隧道洞渣資源化利用方面：目前隧道洞渣的資源化利用仍處于起步階段，對洞渣是否可利用沒有合理的評價依據(jù)，對洞渣資源化利用的全過程缺乏系統(tǒng)研究。

（2）基于隧道洞渣的砂石料制備技術(shù)方面：生產(chǎn)設(shè)備層次參差不齊，產(chǎn)品暫無準入制度，現(xiàn)有機制砂石骨料設(shè)備多適用于工點相對集中的建筑工程，尚且缺少針對洞渣特點的適用于鐵路工程的高品質(zhì)砂石骨料生產(chǎn)技術(shù)。

（3）基于隧道洞渣的機制砂石骨料混凝土制備方面：缺少針對機制砂這種富含石粉骨料的混凝土配合比設(shè)計理論與應(yīng)用技術(shù)支撐，加之部分工程技術(shù)人員對機制砂及機制砂混凝土認識不足，尤其對利用洞渣制備的機制砂配制混凝土更是心存疑慮，導致機制砂混凝土應(yīng)用種類單一，應(yīng)用量極少，最終從一定程度上限制了機制砂推廣應(yīng)用的廣度與深度。