隧道洞渣和路基石渣的资源化利用技术

马 泉 肖建庄 李 鹏 高 尚 戴克学

1. 同济大学 上海 201804；2. 中建三局集团有限公司 陕西 西安 710065

随着我国道路工程的发展，隧道和挖方路基在山区道路工程中的占比越来越大，部分新建的山区道路工程中隧道和挖方路基占路线总长的比例已突破70%。这些道路工程在隧道和路基开挖过程中，不可避免地产生大量洞渣、石渣，由于受施工工艺、施工组织等因素的影响，大量隧道洞渣和挖方路基石渣（指施工过程中开挖出来的石料废渣）得不到合理利用，常常需要布设专门的弃土场来废弃。洞渣、石渣废弃既占用了土地资源，又影响了环境，有时因处置不当还会形成安全隐患。

近年来，由于道路工程路网建设的深入推进和砂石资源分布不均，碎石（指经过除土处理，由机械破碎、筛分制成的岩石颗粒，但不包括软质、风化的颗粒）在工程建设中的短缺之处显得越来越突出，工程中就地取材加工碎石应用于在建道路工程建设已成为发展的必然趋势[1-3]。

本文主要以湖北省十堰市航空路道路工程为实施背景，介绍了将隧道洞渣和挖方路基石渣用来生产碎石的技术，实现了隧道洞渣和挖方路基石渣的资源化利用，避免了隧道洞渣和挖方路基石渣废弃占用土地资源和对生态环境产生影响，同时节约了工程的投资。

1 工程概况

十堰市航空路位于十堰市茅箭东城开发区及十堰经济开发区龙门工业园境内，为西北—东南走向，起点顺接林荫大道与航空路苜蓿叶立交桥，中途横穿茅箭区普林工业园，上跨东风大道，从北侧穿越十堰经济开发区龙门工业园，然后上跨许白路和茅塔河，终点接现状机场路，全长4 905 m，主要包括1座隧道和5段路基等工程。

本工程道路面层采用沥青混凝土，基层采用水泥稳定碎石/级配碎石，其碎石需求量约15万 t。但沿线砂石料匮乏，工程使用的砂石料需远运，平均运距超过80 km。据设计图纸及有关施工规范的规定，用于加工道路路面基层的碎石压碎值应小于30（级配碎石应小于40）。该隧道洞渣和部分挖方路基石渣可满足该路面基层的碎石材质要求。

2 资源调配及加工

2.1 原材调配

1）挖方路基。十堰航空路路基左幅全长3 280.4 m，右幅全长3 227.4 m，深挖路基段共计6段（实为6座山体），总长合计1 190 m，最大挖高为80.7 m。土石方挖方量约为650万 t，其中石方约300万 t（按照强风化和中风化经验比例，中风化石方约150万 t，可用于生产碎石）。当开挖到中风化岩层时，不同的山体应提前进行相应原材石料的送样检测，当材质符合设计及规范要求时，方可运输至砂石料加工场地，否则弃至指定的弃土场。

2）龙门隧道。十堰航空路龙门隧道设计文件表明，此隧道位于绢云母石英片岩地区。该隧道洞身为分离式隧道，左线长438 m、右线长385 m，该隧道开挖产生的洞渣约30万 t。

该隧道所在山体的地层主要由第四系土层和中元古界（Pt2）绢云母石英片岩组成，隧道岩石较完整。

结合本地区工程经验及土工试验，取得岩石单轴饱和抗压强度，通过野外地质调查获得岩体体积节理数，从而得到对应岩体完整性系数，根据隧道围岩分级方法计算公式求得岩体基本质量指标，依据JTG C20—2011《公路工程地质勘察规范》附录E及相关计算公式得出修正岩体基本质量指标，结合JTG C20—2011《公路工程地质勘察规范》附录F公路隧道围岩分级标准进行隧道围岩详细分级。

围岩分级稳定性评价：洞身位置围岩主要为Ⅳ级，为中风化片岩及微风化片岩。中风化片岩节理裂隙发育一般，岩体较完整-较破碎，为较软岩，施工时局部围岩易掉块，围岩可以自稳数日；微风化片岩，岩体较完整，围岩自稳能力较好，稳定性较好。

根据不同岩层围岩地段进行原材送样，当材质符合设计及规范要求时，方可运输至砂石料加工场地，否则弃至指定的弃土场。

2.2 加工及质量控制

1）加工设备选型。综合考虑该隧道洞渣和挖方路基石渣利用，在30万 t隧道洞渣中优选20万 t用于生产碎石料，剩余10万 t可视材用于道路填方段路基的填筑，从而基本实现该隧道洞渣“零弃方”。在150万 t的挖方路基石渣中优选100万 t用于生产碎石，剩余50万 t用于路基填筑或弃至弃土场。

结合本工程施工合同段路面基层碎石总体需求量和开挖石料总工程量，计划加工碎石时间为1年，加工石料总量按120万 t计（其中机制砂40%、碎石60%）。依据产能需求，选择的主要加工设备为：一级破碎采用1台PE600，选颚式破碎机，二级破碎采用1台PF1315反击式破碎机，采用干法生产碎石。

2）加工场地布设。加工场地布设时考虑以下几点：

① 尽量保护土地资源，避免新征临时用地。

② 尽量将加工场地布设于原材地（隧道和可利用挖方路基）与应用地（路面基层水稳拌和站）之间，避免原材料和碎石重复运输。

③ 与附近居民居住点保持200 m以上的距离，避免加工过程中产生的噪声及粉尘扰民。

④ 电力供应方便，尽量降低加工成本。

综合考虑后，因地制宜地将碎石加工场地布设于距离隧道出口约1 000 m处的路基填方段上（因隧道由出口往进口掘进，同时路基挖方量较大，则选址基本位于道路中点处），场地面积约600 m2。为避免加工场地成为本工程的控制性工程，先将路基填筑至下路床底标高（剩余96区不施工）后再进行设备安装。

3）加工工艺流程。碎石加工工艺流程如图1所示。

4）施工方法。

① 开挖：采用爆破配合挖掘机开挖洞渣/石渣，在开挖过程中，应根据岩石的类别、风化程度和节理发育程度等确定开挖方式，本工程石方主要为绢云母石英岩，大部分为中风化或强风化，多呈大块状，部分呈碎石状。开挖后首先应进行现场初步检测，即根据经验采用目测观察和应用铁锤等工具进行敲击检测，初步检测符合相关要求之后送试验室进行精确检测，检测合格之后才可以进行大量运输。

② 运输：采用挖掘机挖装，自卸汽车运输到碎石加工厂原材区。

③ 加工：加工采用二级破碎工艺，一级破碎采用颚式破碎机，其主要用于对各种矿石与大块物料进行粗碎和中碎加工。

二级破碎采用反击破碎机，其利用冲击能来破碎石料，主要用在集料的二次加工。

加工方法为振动给料机喂料，一破采用PE600破动作用颚式破碎机（设备应配备条形隔片筛，用于过滤泥土和细长扁平块石，将直径500 mm的石料破碎至直径130 mm以下；二破采用PF1315反击式破碎机，将直径130 mm的石料破碎至直径40 mm以下；然后将破碎的石料经过振动筛分档成最终产品，即直径4.75～9.50 mm、0～9.5 mm、9.5～19.0 mm、19.0～31.5 mm，超粒径颗粒返回到反击式破碎机再次进行破碎，将石料破碎成最终产品。

④ 检测应用：加工出的最终产品在使用前必须送第三方检测机构进行检测，检测合格后方可使用。

5）加工质量控制。为保证加工质量，从以下几个方面加强质量控制：

① 从源头优选原材。在开挖过程中，优选整体性好、性能满足要求的岩石用于加工碎石。当施工进入破碎带、含泥地层、软弱地层以及富水区段时，开挖的洞渣不可用于砂石料生产。

② 对石渣进行晾晒。在加工场地附近设置临时堆场，将开挖出的石渣先运输至此进行晾晒，待晒干后用挖掘机挑选装车运输至加工场用于加工，避免因过湿石渣直接用于生产砂石料而导致质量波动。

③ 场地与道路硬化。石渣运输道路和加工场地首先采用压路机充分压实，然后铺筑厚20 cm级配碎石层，避免加工过程中运输车辆、装卸设备将泥土带入。

④ 强化排水系统。加工场地场平按中间高、周边低的原则进行平整，并在周边修建排水沟，确保雨水能及时排除，避免降雨积水导致原材料和成品被污染。

⑤ 定期检查维修设备。坚持每天定期对加工系统的有关设备进行检查，重点对破碎机易损件、振动筛、除尘器布袋完好性等进行检查，发现问题及时修复，确保这些设备处于正常工作状态。

⑥ 及时转运成品。将加工出来的碎石及时转运至路面基层水稳拌和站或储料场，确保成品堆高不超过3 m，以避免出现颗粒离析。

⑦ 加工质检系统。建立洞渣/石渣加工碎石质检系统，每天开始生产时在皮带上取样检验碎石级配、石粉含量，当这些指标出现大的波动时立即停机检查，排除故障后再重新开机生产。

3 质量检验

3.1 水泥稳定级配碎石基层中碎石技术要求

根据CJJ 1—2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》和JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》及结合本工程施工设计图，水泥稳定级配碎石基层中碎石需满足表1中的技术要求。

表1 水泥稳定级配碎石基层中碎石技术要求

水泥稳定级配碎石基层中轧制碎石的石渣粒径应为碎石最大粒径的3倍以上，碎石中不应有黏土块、植物根叶、腐殖质等有害物质。成品碎石应为多棱角块体，级配碎石颗粒范围应符合CJJ 1—2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》表7.7.1-13要求。

3.2 水泥稳定碎石基层中碎石技术要求

根据CJJ 1—2008《城镇道路工程施工与质量验收规范》和JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》及结合本工程施工设计图，水泥稳定碎石基层中碎石需满足表2中的技术要求。

表2 水泥稳定碎石基层中碎石技术要求

水泥稳定碎石基层中宜采用质地坚硬、耐久、洁净的碎石，集料级配范围应符合表3要求。

表3 水泥稳定级配碎石基层中碎石级配范围

4 工程应用

4.1 碎石在路面基层工程的应用

经检测，采用该隧道洞渣和此工程段挖方路基石渣加工的碎石无碱活性，其检测结果为：该碎石样品压碎值等技术指标符合《公路路面基层施工技术细则》中高速公路和一级公路重、中、轻交通用粗集料1Ⅰ类技术指标及设计要求。

采用此类洞渣/石渣加工碎石配制的路面水泥稳定性基层已成功应用于本工程。水泥稳定碎石/级配碎石基层：基层压实度≥98%，底基层压实度≥97%；弯沉值不应大于设计规定值；外观质量：表面应平整、坚实、无推移、松散、浮石现象；均能满足设计及规范要求。

4.2 满足相关标号混凝土的应用

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，根据道路工程混凝土工程特点，对此类洞渣/石渣加工的碎石进行混凝土配合比设计，相关等级混凝土配合比与抗压强度见表4。

表4 混凝土配合比与抗压强度

由此可见，采用此类洞渣/石渣加工的碎石配制的混凝土其28 d抗压强度均满足强度要求。

4.3 效益分析

4.3.1 经济效益

隧道洞渣和挖方路基石渣用于加工碎石，其加工成本主要为加工能耗、人工和加工设备的折旧费用。将隧道洞渣和挖方路基石渣加工的碎石与远运碎石进行成本对比分析。根据已采用隧道洞渣和挖方路基石渣加工的碎石，从出厂价、运距、到场价等方面与远运碎石进行经济对比分析，可知洞渣/石渣加工碎石投资节约效果很显著，相关数据见石渣加工碎石与远运碎石成本对比分析表（表5）。

表5 石渣加工碎石与远运碎石成本对比分析

4.3.2 环境效益

隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石实现了洞渣/石渣的资源化利用，避免了因设置弃土场来堆放洞渣/石渣而导致的土地资源占用和对周围环境的影响。避免了远运碎石或者开山炸石来生产碎石，降低了道路施工的能源消耗和CO2的排放。

5 结语

1）道路工程中隧道洞渣和挖方路基石渣常常作为废渣丢弃，既占用土地资源又影响环境。实现隧道洞渣和挖方路基石渣的资源化利用是建设绿色工程的必然要求。

2）选择的二级破碎工艺（一级破碎PE600级破碎工颚式破碎机，二级破碎PF1315反击式破碎机）可满足隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石的需要。

3）隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石宜采用干法生产，可采用布袋除尘方式进行碎石石粉控制。

4）结合隧道洞渣和挖方路基石渣的特点，需从源头控制及晾晒优选原材、场地与道路硬化、场地有效排水、及时转运成品、定期检查检修设备等方式加强质量控制。宜采用级配、石粉含量、压碎值等指标作为隧道洞渣和挖方路基石渣生产碎石的控制指标。

5）通过加强质量控制，隧道洞渣和挖方路基石渣生产的碎石性能可满足建设工程要求的碎石。将其用于道路工程建设是可行的。

6）用隧道洞渣和挖方路基石渣加工碎石既消耗了隧道洞渣和挖方路基石渣，又解决了道路工程建设砂石用料短缺的难题，实现了隧道洞渣和挖方路基石渣资源化利用，节约了大量工程投资，且环保效益显著。