混凝土搅拌站砂石料堆场一体化方案的设计与应用

赵林原

中交第三航务工程局有限公司南京分公司

0 前言

根据绿色设计目标，中交第三航务工程局有限公司南京分公司在承担的苏锡常南部高速CX-WX2 项目施工标段的搅拌站砂石料堆场项目，采用了砂石料皮带运输和洗石、入仓一体化的设计方案与技术措施。该项目从2018 年5月开始设计，于2018 年7月建造完成并投入使用，运行至今近2 年。实践证明，本方案生产效率高、土地利用率高、安全环保。与常规方案相比，每年可节约成本超过860万元、节能约1400 tce、减排CO2约4800 t，并减少了临时堆场用地，具有推广应用价值。

1 项目概况

苏锡常南部高速CX-WX2 标段工程工期为3年，位于太湖旅游度假区。该项目对环保要求高，施工高峰期对混凝土供应要求高，因此建设了配套的混凝土搅拌站。根据项目所在地的平面布局、水系地形、桥梁路况，运用节能环保理念，总投资285万元，设计、建造了集运输、洗石、入仓一体化的砂石料堆场方案及配套工艺。实践证明，设计能满足混凝土连续高峰产量的砂石料供应，设备运行稳定、性能良好，不仅保护了太湖周边环境，而且节约了能源和成本。项目所在位置见图1。

图1 项目总体位置图

2 绿色设计策略与技术措施

苏锡常南部高速CX-WX2 标段工程设计混凝土总方量为112.75万m3，混凝土供应是本工程的重点。施工高峰期每天混凝土用量高达3000 m3，并持续5-7 天；每年的春秋两季为施工旺季，每天混凝土生产量为2500 m3，持续时间3-4个月。

在拟建线路K24+200 左侧设置了一个混凝土搅拌站和一个砂石料卸货临时码头。搅拌站配置了3套HZS180搅拌设备，每天搅拌能力达到3000 m3。

混凝土生产能力的实现，需要源源不断的砂石料供应。本项目所用混凝土大部分为C40，每方含砂石子为1836 kg,其中砂753 kg、石子1083 kg（砂、石比例为4:6），据此计算，混凝土需求高峰期，砂石料的最大供应量为：

施工旺季砂石料需求量为：

整个标段的混凝土用量折算所需要砂石料：

由于搅拌站占地面积受限，可供砂石料储存的空间有限，因此，现有场地的最大化利用，以及持续、快速的砂石料补充显得非常重要。

2.1 常规砂石料运输、洗石、堆场工艺

常规工艺是将砂石料从临时码头通过抓斗吊机卸船、装到自卸车上转运，砂子直接卸到堆场储料仓，石子卸到搅拌站临时堆场，洗石后由装载机转运到储料仓，见图2。

图2 砂石料转运车辆由码头到搅拌站路线示意图

2.1.1 土地资源占用、储存效率情况分析

现有场地可布置12个长45 m、宽16 m的砂石料储料仓，砂石料堆放高度受装载机作业高度限制，按ZL50装载机作业高度3 m 计算，堆场最大容量为：12×45×16×3＝25920 m3，按照砂石料比重1.6计算，最大储存量为：

另外，石子清洗需要临时堆场，其占地面积大于5000 m2。

2.1.2 车辆运输效率、可持续供应等情况分析

按现有场地、道路容量、装载机转运速度等综合考虑，堆场可配备10 t 的自卸车9 辆，按每0.5 h装卸、运输一车，每天工作8 h计算，不考虑受天气、船期等因素影响，则堆场最大可运输砂石料：

即：180 t/h；即便按照每天2班、16 h计算，砂石料运输量为：

无法满足上述计算的高峰期5508 t/d 的需求量，也无法满足施工旺季4590 t/d的供应。

如果按照最有利因素考虑，即砂石料满仓、货源船期充足、同时2班工作人员持续不断运输，则施工旺季砂石料的连续供应天数为：

一个月内，不能满足3-4个月的持续供应。

另外，按照上述整个标段砂石料207.009万t需求、车辆正常工作每天8 h计算，则全部砂石料运输所需总时长为：

即需要将近4年时间（1437.56÷365＝3.94），无法满足3年的施工期。

2.1.3 安全性、环保性、经济性情况

车辆在施工便道上行驶，很容易与其他砂石料运输车、渣土车、混凝土搅拌车等发生道路拥堵和车辆安全事故；砂石料在运输中，也容易产生散落、灰尘，污染环境；另外，车辆运输需要大量的人工、燃油消耗，成本较大。

2.2 砂石料运输、洗石、入仓一体化方案

为了提高砂石料的运输效率，我们设计了一套集码头卸料、运输、洗石、入仓于一体的砂石料输送系统：运输由一套皮带输送系统承担，系统中有砂石料转换料斗，砂子经过料斗，直接进入下一条皮带输送、入库；石子经过料斗，被送入洗石机，清洗后直接进入下一条皮带机输送、入库。由此，一套系统，既可以输送砂子，也可以清洗、输送石子；而且，不需要另外设置洗石作业的临时堆场，使砂石料从码头卸料到成品入仓一步到位，整个环节工艺流畅，见图3。

如图3 结构和工序相同的一体化系统，平行建造了2 套，由于砂、石运送的灵活转换，大幅提高了运送效率，具备快速补仓能力。

2.2.1 砂石料运输转换料斗方案

为了使一套皮带输送系统既能输送、清洗石子，又能输送砂子，在系统中设计了一套砂石料转换料斗、设置了振动筛洗石机，见图4。

图3 一体化方案砂、石流转示意图

当石子输送至转换料斗时，砂子阀门关闭，石子阀门、通道打开，进入振动筛洗石子系统，清洗后通过3#皮带机、料仓皮带机入仓堆放；而砂子输送至转换料斗时，石子阀门关闭，砂子阀门、通道打开，通过3#皮带机、料仓皮带机，直接入仓堆放。

2.2.2 砂石料运输的输送带方案

根据砂石料从码头到储料仓的运输距离、洗石作业、入库补料等工序，在一体化砂石料输送系统中，设计了从码头到储料仓的1号皮带机、2号皮带机为纯单向输送功能，2号皮带机后为转换料斗，然后是3 号皮带机（带行走小车和横向正反转布料的皮带机），将砂石料输送入库，最后由料仓皮带机输送到储料仓各个位置。输送带总长度约500 m，两套系统的料仓皮带机间距为14.5 m。

根据料仓长度和细砂、碎石的运动安息角等参数，将料仓皮带机的卸料端高度设定为8 m。

图5 砂石料传送带运输示意图

图6 砂石料仓堆料示意图

皮带运输、料仓布置见图5、图6和图7。

图7 传送带和料仓布料实景图

2.2.3 砂石料储存和供应能力分析

布料皮带机卸料端高度8 m，按照可堆料高度7.5 m 计算，则12 个储料仓的最大仓容为：12×45×16×7.5＝64800 m3，是常规方案仓容的2.5倍（＝64800÷25920），土地利用率明显提高；由于不需要洗石临时堆场，可以节约土地面积大于5000 m2。

考虑到卸料、储存死角等因素，一体化方案的储料仓储存能力大于4.3万m3，按照砂石料比重1.6 计算，最大储存量为：4.3×1.6＝6.88万t；按照高峰期5508 t/d、施工旺季4590 t/d 的砂石料需求，即便没有补仓，该储存量仍能满足施工高峰期12.5 天的用量（＝6.88÷0.5508）、施工旺季15 天的用量（＝6.88÷0.4590），应对大风等恶劣天气或其它因素影响的能力较强。

2.2.4 设备配置、砂石料运送效率和可持续供应情况分析

上述砂石料一体化解决方案，每套系统的设备配置见表1。

表1

按表1工效最小的设备260 t/h计算，单套系统卸载1船500 t 的砂石料需2 h，按照每班8 h计算，每天可卸4船500 t砂石料；由于皮带输送不占用道路资源、皮带机等设备的运行管理方便，需要人员少，可以采用每天两班16 h 运转，则2 套系统最大工作量每天可卸16 船砂石料，即8000 t/d，远大于施工高峰期5508 t/d、施工旺季4590 t/d的砂石料需求；因上述较大的仓储能力，因此，本设计方案的砂石料供应完全满足施工需求。

2.2.5 施工难点控制及持续改进

1)单根皮带宽度为800 mm，两侧维修平台宽度为1200 mm，两条传送带宽度接近2500 mm,如果设计在码头引桥上，引桥将会很宽。因此，在码头旁边打钢管桩，支撑输送带，与引桥并排，避免了占用引桥，而维护时可借助引桥。

2)整个皮带输送系统总长度为490 m，分四级运输，经过太湖湖面、十里明珠大堤、东环堤河等复杂地带，对皮带运输机基础有较高要求。

3)皮带运输系统设在太湖旁，环保要求高，皮带运输必须实现全封闭运行，杜绝砂石料散落及扬尘对周边环境的污染。

4)系统运行近2 年来，实际运送砂石料超过150万t，按前文所述的砂、石比例，石子约90万t。按照清洗1 t石子用水0.1 t计算，将需要9万t水，按照1/4水被石子吸收和蒸发计算，将产生6.75万t洗石废水，因此水资源的供给和废水处理都非常重要。由于项目地处荒野，大量自来水供应困难，因此，需要充分利用自然水资源，将堆场边上清洁的河水用于清洗石子；把原设计的3 级沉淀池改为4级沉淀池，对洗石废水进行处理，达标后再还水于江河。由此既节约了项目用水成本，又实现了水资源循环使用（每年达：6.75/2=3.375万m3），还避免了对周边河湖的污染。

5)砂石料堆场一体化系统建设后，我们成立专业队伍，从船舶运输到砂石料吊运、石子清洗以及设备运行，进行全方位、全过程管理，确保系统运行良好，达到设计目标。

3 技术成效

由上述分析可知，本设计方案集成了皮带封闭运输、砂石转换分料、振动筛洗石、水资源循环利用等一系列先进环保的工艺流程、技术装备，具有以下成效：

1)土地利用率高，节地效果明显：土地利用率是常规方案的2.5 倍，节约洗石临时堆场面积5000 m2，无需预留装载机二次转运的作业通道。

2)运输效率高：输送带一体化方案，是常规车辆运输方案最大运输量的2.8 倍（＝8000÷2880）；料仓皮带机取代了装载机，在工效提高的同时，还提高了砂石料堆放高度，提高了仓储能力，实现了土地高效利用。

3)经济效益好：砂石料运输、分料、洗石、入仓一气呵成，减少中间环节，节约成本（详见后面分析）。

4)污染排放少：生产过程中所有设备均为用电设备，不产生内燃机的废气排放。

5)环境保护好：从码头卸料，砂石料的运送始终在封闭的皮带机内，较常规的自卸车、装载机作业，运输过程产生的粉尘、砂石散落少，有效保护了太湖风景区环境。

6)空间环境友好：输送带通过钢管桩架设，充分利用空间。同时，输送桥带流畅美观，上书宣传标语，提升了中交、三航形象（见图8）。

图8 输送桥带

4 推广应用条件

本方案砂石料运输、清洗和堆放一体化完成，全封闭、零污染、高效安全、节能环保、节约土地、技术成熟。随着环保要求日益提高，特别是对建筑施工造成的污染越来越重视，本方案是建筑行业的发展趋势，具有广泛的推广应用价值。根据本方案特点，适应砂石料运输长度在2 km 之内，如果有水上运输条件更佳，但要考虑皮带运输机的架设高度、地基条件、周边环境等因素，避免在地质条件差的复杂区域建设。

5 效益分析

5.1 节能环保效益

按上述实际每年运送砂石料75万t、砂石比例4:6、常规运能180 t/h、一体化运能250 t/h 等参数，计算不同方案、各种设备的总运行时间和能耗量,进行比较。

设：75万t的砂石料，其中石子有45万t。

5.1.1 常规砂石料运输、堆场方案的能耗、排放情况

砂石料运输车运行时间：

ZL50 装载机按照洗石时短驳60 t/h、石子入仓时长驳30 t/h计算，

则短驳作业时长为：45×10000÷60＝7500 h，

长驳作业时长为：45×10000÷30＝15000 h，

合计作业时长为：22500 h；

洗石机按照350 t/h计算，则作业时长为：

设备在一年内的运行时间及能耗见表2。

CO2排放量，柴油为：

电力为：19290×0.6861÷1000＝13.23 t

合计为：3771.15＋13.23＝3784.38 t。

5.1.2 一体化系统砂石料运输、堆场方案的能耗、排放情况

按一套砂石料运输带的能力计算，运行总时长为：

洗石机按上述计算，则作业总时长为：

考虑到洗石机处于整个系统中，要按照系统输送石子的时间，即3000×60%＝1800 h；

设备在一年的运行时间及能耗见表3。

表3

CO2排放：

5.1.3 节能减排量计算

由上述计算可知，一体化方案与传统方案比较：

每年节能：1745.15－323.05＝1422.10 tce，

节能率：1422.10÷1745.15＝81.49%；

每年减排：3784.38－671.64＝3112.74 tCO2，

减排率达：3112.74÷3784.38＝82.25%。

按照每年实际运送处理砂石料90万t 计算，则单位作业节能量：

5.2 经济效益

5.2.1 常规砂石料运输、堆场方案经济分析

1）设备购置、人工综合费用，见表4。

2）临时堆场建设费：75万元。

3）燃油费用：即运输车和装载机油耗，取上述计算数据，每年柴油消耗1387575 L，按单价6元/L计算，则每年油费：

4）电费：即洗石机的用电，取上面计算数据，每年19290 kWh,按无锡当地工业电费1.2元/kWh计算，则每年电费：19290×1.2÷10000＝2.31万元。

5）合计费用：第一年为：

444＋75＋832.55＋2.31＝1353.86万元；第二年及之后每年费用为：

表4

即：前两年合计费用为：

5.2.2 一体化砂石料运输、堆场方案经济分析

1）设备购置安装、人工综合费用，见表5。

2）设备每年耗电费用：由上述能耗计算得知，所有皮带机加洗石机每年耗电978930 kWh ,按1.2元/kWh计算，则每年电费：978930×1.2÷10000＝117.47万元。

3）合计费用：第一年：335＋117.47＝452.47万元；

第二年及之后每年费用为：

即：前两年合计费用为：

5.2.3 经济效益比较

由上述计算可知，一体化方案与传统方案相比，运行第一年可节省费用：

运行两年可节省费用：

平均每年可节省863.39万元。

可见经济效益非常明显。

5.2.4 投资回收期

（投资总额285÷ 年节约金额863.39）×12＝3.96个月，即4个月内收回成本。

表5

6 结语

砂石料堆场一体化解决方案的设计、实施、运行，安全高效、节能环保，为企业节省了成本，保护了太湖环境，激发了员工科技创新的积极性，提高了节能环保意识，对同类型工程项目具有示范推广意义。