砂岩类弃渣在山西榆昔高速公路中的应用分析

李庆宏，赵慧静，申铁军，李毓麒

(1.山西路桥集团晋南项目管理有限公司,山西 太原 030006；2.山西路桥第七工程有限公司，山西 晋城 048000；3.山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030600；4.东北大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110000)

1 项目背景和必要性

山西昔阳(晋冀界)至榆次项目采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度 100 km/h,整体式路基宽度26 m,全长125.415 km。一般互通立交4处、枢纽互通式立交2处，服务区3处，养护工区3处，路段管理中心2处，隧道管理站3座，匝道收费站5处，主线超限站1处；闫庄连接线6.85 km,马坊至松塔连接线21.22 km，总占地113 139亩(1亩≈666.67 m2)，桥隧比例55%。昔榆高速沿线有近1 800万m3弃渣，无处可用。初步调研显示其以砂岩类为主，砂岩属于沉积岩，可分为钙质、砂质、铁质、黏土质等几类，主要特点为强度较低、砂率高、吸水率大、易风化崩解，且成分波动性太大、均质性差，导致其无法如灰石等硬质岩类一样直接破碎使用，亟待一种合理有效的资源化利用途径。

2 项目建设概要

应用项目为山西昔阳(晋冀界)至榆次高速公路，昔阳(晋冀界)至榆次(K0+000～K128+114.821)项目采用双向四车道高速公路标准建设，主要工程量(全线)：路基挖方2 559.8万m3(其中挖石方1 958.2万m3),路基填方1 412.8万m3,桥梁75座/31.251 km(含互通主线桥7座/2.79 km，其中:特大桥6座/7.021 km、大桥67座/24.047 km、中桥2座 /0.183 km)，隧道17座/37.716 km(其中:特长隧道3座/19.915 km、长隧道7座/14.339 km、中隧道2座/1.588 km、短隧道5座/1.875 km),分离立交3座、天桥10座、通道42座、涵洞128道。

3 研究目的与意义

近年来砂石材料紧缺，公路工程建设成本显著增高，一定程度上制约了基础建设的快速高质量发展，与此同时公路建设时路基挖方及隧道施工产生大量岩石类弃渣，占用大量田地，将此类弃渣用于制备公路工程集料，既可节约天然资源，保护生态环境，又可降低施工成本，具有显著的经济和社会效益。

4 主要研究内容

4.1 关键技术问题及创新点

1)砂岩类弃渣的稳定性评价技术。部分砂岩具有不稳定性，具体体现在耐久性差、易风化崩解等。为此，本项目拟 系统研究砂岩类弃渣崩解特性与其矿物成分、岩相成分的关系，探讨不同稳定性评价指标的适用性，提出一整套科学高效易操作的砂岩类弃渣稳定性评价技术，甄别可用于制备集料的砂岩类弃渣[1]。

2)砂岩类弃渣集料制备技术。针对砂岩自身的物理力学性能，研发包括破碎类型、破碎工艺、振动筛尺寸选择、收尘方式选择等在内的一整套砂岩类弃渣集料制备关键技术[2]。

3)硬质砂岩混凝土工作性能的调控技术。制备出的高硬度砂岩集料可用于制备混凝土，但是一般的高硬度砂岩都以硅钙质为主，用于混凝土中易导致混凝土工作性变差，因此可采用复合配砂等方式调控砂岩混凝土的工作性能[3]。

4.2 采取的技术路线和实施方案

1)对昔阳至榆次高速项目工程沿线砂岩堆存点进行调研取样。分析砂岩类弃渣的微观结构，测定其力学性能和耐久性，明确砂岩类弃渣在公路工程中应用的技术可行性。

2)在对砂岩类弃渣分析、研究的基础上，研究砂岩类弃渣的特性对水泥混凝土和水泥稳定基层性能的影响，从而为集料制备提供实验基础。

3)研究砂岩类弃渣的破碎工艺，破碎后的集料品质、破碎效率、耗能等问题，优化出能够用于路面基层和水泥混凝土中的砂岩类弃渣加工方案，并提出砂岩机制砂质量控制指标及标准。

4)对砂岩类弃渣在路面基层，水泥混凝土中的应用进行材料组成设计与路用性能研究,完成实验室配合比研究。

5 砂岩类弃渣应用实例

对公路保通条件下高陡路堑边坡拓宽变形演化过程及控稳措施进行研究，建立描述高陡边坡二次开挖扰动的动态力学模型，提出保通条件下的变形控制方法。最后从工程特点、施工周期、施工方案、保通情况等技术经济指标对山区高速公路保通条件下高陡路堑边坡施工开挖方式进行对比分析，依据专家分析法选取最优保通施工方案。

1)面对当前经济高速发展引起的交通量不断提高对改扩建工程需求日益急迫的大趋势，本项目提出的山区高速公路保通条件下高陡路堑边坡安全评价方法、变形控稳措施及开挖支护优化方案，可为当前山区高速公路保通条件下的改扩建工程路堑高边坡施工方式提供技术指导和借鉴，同时还可为相关保通施工规范和标准的修编提供参考，相关研究成果对道路保通改扩建工程具有重要意义。

(1)山区高速公路保通条件下路堑高边坡拓宽安全评价方法。保通条件下高陡路堑边坡拓宽安全施工是改扩建工程的最大特点，因此，山区高速公路保通条件下既有高陡边坡运营安全评估是本项目拟解决的第一个关键问题。

(2)山区高速公路保通条件下路堑高边坡拓宽控稳技术。保通条件下，采用何种变形控制措施避免边坡在二次开挖过程中发生失稳，为保通条件下高陡路堑边坡拓宽施工技术的最关键的问题。包括构建山区高速公路保通条件下路堑高边坡拓宽安全评价体系；建立山区高速公路保通条件下路堑高边坡动态开挖力学模型；提出山区高速公路保通条件下路堑高边坡拓宽控稳措施。

2)首先，运用交通供需均衡理论进行交通需求预测，获得项目建设期间各路段年平均日交通量及高峰小时交通量，结合项目改扩建施工期间路段服务水平等级，采用工程调研和数学建模方法，对山区高速公路保通条件下拓宽工程中高陡路堑边坡施工过程安全评价方法进行研究，建立山区高速公路保通条件下高陡路堑边坡拓宽安全评价体系。其次，通过室内模型试验和数值分析相结合的手段，对山区高速公路保通条件下中高陡路堑边坡拓宽变形演化过程及控稳措施进行研究，建立描述山区高速公路保通条件下边坡二次扰动的动态力学模型，提出变形控制方法。最后，从工程特点、施工工期、施工方式及通行情况等技术经济指标对施工方案进行对比分析，提出山区高速公路保通条件下高陡路堑边坡拓宽加固方法的优化原则和优化方法。

(1)山区髙速公路保通条件下路堑高边坡拓宽安全评价。分析山区高速公路保通条件下高陡路堑边坡施工方式及其对运营安全的影响，识别并明确相关安全影响因素。通过对既有边坡稳定性分析资料、防护方案资料、地质勘察资料及工程地质勘察成果的收集，对山区高速公路保通条件下的高边坡拓宽施工开挖过程安全性影响因素进行系统分析、评估和排序，确定安全等级，主要包括通行特点、地形地貌、边坡地质条件、气候环境、施工工序、排水设施。基于模糊数学和神经网络原理，建立山区高速公路保通条件下高陡路堑边坡施工过程中的运营安全性预测模型。

(2)山区高速公路保通条件下路堑高边坡开挖控稳研究。综合采用室内小比例模型试验手段和数值方法，分别建立模型边坡及其计算模型。

6 砂岩类弃渣施工质量控制强化措施

6.1 强化材料管理

对于砂石料类地方材料，在磅房要配备筛分机、称重仪器，在地磅称重前，对每车要进行级配、含水量等指标初检，不合格不得进场，做到“不验收、不进场”。材料进场后，按照有关规定进行自检、抽检，坚决杜绝不合格材料、构配件和设施设备用于工程实体。

6.2 强化质量巡查管理

建立项目质量巡查工作机制，实行质量现场巡查和动态分级监管，明确各级管理层领导及管理人员现场巡查频率、重点、标准等内容，通过对项目质量巡查问题、巡查次数、问题整改闭合及领导带班情况等数据的自动统计、分析与评价，进一步规范各管理层级质量管控行为，推动质量管理目标在现场落地见效。

6.3 强化质量验收管理

加强施工过程关键部位、关键环节、关键工序的质量验收管理，突出隐蔽工程检查验收机制，严格执行报验程序和验收标准，强化按规定施行“三检制”的质量控制程序，落实“不验收、不施工，不合格、不施工，谁签字、谁负责”的管控要求，确保施工过程质量可控。

7 结束语

废渣的综合利用与资源化问题是世界性环保难题。大量的废渣堆存占用土地,污染土壤、水、空气,腐蚀钢构,造成有用成分浪费等。从现阶段看，废渣主要分为砂岩类弃渣与工业固体废渣，后者的综合利用方向主要有生产新型建材与陶瓷,制造净化水和空气的吸附材料,制备新型功能材料及回收其中的有价金属,并对工业固体废渣的综合利用前景进行了展望。大量堆存的工业固体废渣既占用土地,又涉及资源、环境问题。工业固体废渣的碱性和所含的重金属元素会对周边的土壤、水系等造成危害;工业固体废渣中有价元素得不到经济有效的回收利用,又涉及资源浪费问题。工业固体废渣综合利用的门路广泛,却又因为工业固体废渣存在的差异,在每种方法上都有工艺的区别，目前很多研究机构已经深入研究，砂岩类弃渣的利用研究也将进一步开展下去。

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