徐玉曉，姜 利，董建勛

(1.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

已燃煤矸石作為橋涵臺(tái)背回填材料可行性分析

徐玉曉1，姜 利2，董建勛1

(1.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

國(guó)內(nèi)外常用的橋涵臺(tái)背回填材料主要有天然級(jí)配砂礫、石灰穩(wěn)定土以及EPS輕質(zhì)混凝土等材料，而對(duì)于固體廢棄物煤矸石作為橋涵臺(tái)背回填材料的應(yīng)用實(shí)踐較少。對(duì)于黑龍江、山西、內(nèi)蒙古等煤炭省而言，如果將排放出的大量固體廢棄物煤矸石作為橋涵臺(tái)背回填材料，一方面在降低工程造價(jià)的同時(shí)，另一方面將減少因煤矸石堆積占用大量的寶貴土地資源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合理利用資源、保護(hù)環(huán)境的目的。結(jié)合依七高速公路橋涵背回填煤矸石工程實(shí)踐，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面論證煤矸石作為橋涵臺(tái)背回填材料的可行性進(jìn)行分析。

臺(tái)背回填;煤矸石;沉降觀測(cè);效益分析

1 工程概況

依七高速公路起點(diǎn)和哈同高速相接，重點(diǎn)和鶴大高速相接，是黑龍江省骨架公路網(wǎng)規(guī)劃高速公路系統(tǒng)的聯(lián)二線。該高速公路全長(zhǎng)110余km，總投資約35億元，采用四車(chē)道全封閉、全立交標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車(chē)速100 km/h。

建設(shè)單位本著科技創(chuàng)新、節(jié)約成本和保護(hù)保護(hù)環(huán)境三項(xiàng)原則，在依七高速K103+000至施工終點(diǎn)橋涵臺(tái)背回填段(工程范圍內(nèi)合計(jì)大小橋涵31座)采用七臺(tái)河堆積大年限在10年以上的已燃煤矸石作為橋涵背回填材料，通過(guò)工程實(shí)踐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)新技術(shù)、新工藝、新材料在公路工程中的廣泛應(yīng)用。

2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2.1 施工工藝

通過(guò)在依七高速橋涵背回填段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攤鋪試驗(yàn)，最終總結(jié)出了適合橋涵臺(tái)背回填煤矸石的施工工藝流程，具體如下。

前期準(zhǔn)備→煤矸石性能試驗(yàn)→基底處理→回填段測(cè)量放樣及反開(kāi)挖→煤矸石攤鋪整平→現(xiàn)場(chǎng)灑水→分層碾壓與夯實(shí)→壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)(沉降差法、固體體積率法等方法)→繼續(xù)分層填筑→滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高→堆載預(yù)壓或封層。見(jiàn)圖1。

圖1 臺(tái)背回填現(xiàn)場(chǎng)施工圖

2.2 施工注意事項(xiàng)

(1)臺(tái)背回填施工過(guò)程質(zhì)量控制

施工單位和監(jiān)理人員在確保橋臺(tái)(樁基)、基底承載力(壓實(shí)度)滿足規(guī)范要求后方可進(jìn)行已燃煤矸石的回填。

臺(tái)背回填過(guò)程中，監(jiān)理員和施工員要記錄好回填煤矸石的最大粒徑、顆粒級(jí)配、松鋪厚度、機(jī)械設(shè)備組成、碾壓遍數(shù)、灑水方式、壓實(shí)檢測(cè)方法等滿足施工工藝要求的其他內(nèi)容，避免后期出現(xiàn)返工情況。

(2)運(yùn)輸過(guò)程的環(huán)境保護(hù)

天然堆積的已燃煤矸石含水量基本為零，開(kāi)采的煤矸石具有含水率低、灰分多、較大顆粒多的特點(diǎn)，車(chē)輛在運(yùn)輸煤矸石過(guò)程中如果不能做好覆蓋措施，會(huì)造成運(yùn)輸過(guò)程中的粉塵飛揚(yáng)等污染環(huán)境的情況發(fā)生。煤矸石在運(yùn)輸過(guò)程中需要根據(jù)煤矸石的顆粒特征、燃燒程度采取帆布覆蓋等保護(hù)措施。運(yùn)輸煤矸石過(guò)程中盡可能避免運(yùn)輸剛剛灑水的煤矸石，避免對(duì)運(yùn)輸路段的道路造成污染。

(3)煤矸石開(kāi)采安全問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)堆積的煤矸石存在完全燃燒、部分燃燒或未燃的煤矸石山，煤矸石山的穩(wěn)定性較差，開(kāi)采煤矸石過(guò)程中要做好安全保護(hù)工作，由專業(yè)人員或經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)的施工員負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)指揮開(kāi)采，同時(shí)制定合理的煤矸石開(kāi)采方案。

2.3 后期沉降觀測(cè)分析

以K117+800互通橋臺(tái)背回填煤矸石為例，進(jìn)行后期沉降監(jiān)測(cè)。該橋涵臺(tái)背回填高度為8.5 m(不含地基處理深度)，為得到臺(tái)背回填段分層沉降隨時(shí)間變化規(guī)律，在回填段從上至下埋設(shè)了I1號(hào)、I2號(hào)、I3號(hào)、I4號(hào)沉降磁環(huán)(磁環(huán)距臺(tái)背頂面距離分別為1.0 m、3.5 m、6.5 m和8.5 m)，并在路面攤鋪之前進(jìn)行了為期一年的實(shí)地監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

圖2 分層沉降隨時(shí)間變化規(guī)律圖

通過(guò)近一年的沉降觀測(cè)，互通橋臺(tái)背回填段的中分帶沉降量合計(jì)為43 mm(地基沉降為31 mm，煤矸石壓縮沉降為11 mm)，截至到2011年9月，地基沉降和已燃煤矸石自身壓縮沉降均趨于穩(wěn)定。繼續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，回填段沉降較小，且變坡未出現(xiàn)任何滑移情況的發(fā)生?；ネ蚧靥疃蔚姆謱映两涤^測(cè)結(jié)果表明，分層壓實(shí)后的煤矸石具有壓縮性小、穩(wěn)定性好、沉降量小的特點(diǎn)。

依七高速公路通車(chē)三年多來(lái)，所采用已燃煤矸石進(jìn)行的橋涵背回填段均未出現(xiàn)明顯橋頭跳車(chē)情況，表明煤矸石作為橋涵臺(tái)背回填材料從技術(shù)上是完全可行的。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

依七高速前期設(shè)計(jì)過(guò)程中全線均采用七臺(tái)河地區(qū)天然級(jí)配砂礫作為橋涵臺(tái)背回填材料。施工過(guò)程中，綜合考慮七臺(tái)河地區(qū)堆積有大量的強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的已燃煤矸石，從節(jié)約工程造價(jià)的目的出發(fā)，在進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，部分路段的橋涵臺(tái)背回填采用煤矸石材料。

根據(jù)建設(shè)單位和施工方簽訂的承包合同發(fā)現(xiàn)，K103+ 00至施工終點(diǎn)采用煤矸石回填的工程造價(jià)可比采用砂礫回填1 m3約降低28元。K103+000至終點(diǎn)段所有橋涵臺(tái)背回填工程量約7萬(wàn)m3，相比采用天然砂礫回填材料而言，僅依七高速15 km路段(不含路基采用煤矸石填筑，僅僅指橋涵臺(tái)背回填煤矸石)建安費(fèi)就可以節(jié)約工程成本200余萬(wàn)元。

3.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

(1)土地效益

堆積的固體廢棄物—煤矸石作為道路建筑材料，占用的農(nóng)田或建設(shè)用地將得到合理利用。

按照七臺(tái)河堆積的已燃煤矸石按照一般情況下坡度為30°～40°，根據(jù)依七高速公路實(shí)際開(kāi)采填筑的煤矸石工程量進(jìn)行計(jì)算，最少可節(jié)省七臺(tái)河土地資源約12.7畝。已燃煤矸石山圓錐體公式

土地面積計(jì)算公式

通過(guò)綜合開(kāi)發(fā)利用煤矸石造成的土地利用間接經(jīng)濟(jì)效益，按農(nóng)田年收益1 500元每畝，使用年限30年計(jì)算，僅依七高速試驗(yàn)段利用煤矸石一項(xiàng)，就可創(chuàng)造約57萬(wàn)元的土地效益。

(2)農(nóng)業(yè)效益

國(guó)內(nèi)外研究表明，煤矸石的大量在堆積過(guò)程中會(huì)對(duì)周邊1 km范圍內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品造成較大污染污染。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)專家采用的農(nóng)作物受污染后減產(chǎn)計(jì)算模型得出，開(kāi)采的一座煤矸石山的影響區(qū)域面積為4 847畝，可挽回的農(nóng)業(yè)損失為72.7萬(wàn)元/年。

(3)綜合治理效益

為了防止堆積的煤矸石因燃燒造成山體滑坡、大氣污染，七臺(tái)河地區(qū)每年都要對(duì)堆積的煤矸石進(jìn)行滅火、封堵等措施，根據(jù)七臺(tái)河地區(qū)煤矸石山堆積區(qū)1 m3需平均投入0.3元的治理費(fèi)用計(jì)算，僅依七高速橋涵背回填煤矸石一項(xiàng)，就可為當(dāng)?shù)毓?jié)約治理煤矸石山的費(fèi)用合計(jì)月76萬(wàn)元。

綜上以上分析計(jì)算可知，對(duì)于在七臺(tái)河礦區(qū)乃至全國(guó)其他礦區(qū)城市修筑高等級(jí)公路，如果將煤矸石代替天然級(jí)配砂礫作為道路、臺(tái)背填筑材料，將會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境社會(huì)效益。間接效益見(jiàn)表1。

表1 間接效益統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，將煤矸石作為橋涵臺(tái)背回填材料，從技術(shù)上是完全切實(shí)可行的，對(duì)煤炭開(kāi)采城市而言，如果將煤矸石代替天然砂礫進(jìn)行橋涵背回填材料或路基填筑材料，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于促進(jìn)煤矸石變廢為寶，減少因煤矸石堆積造成的當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)土地的二次開(kāi)發(fā)利用，推動(dòng)社會(huì)的可持續(xù)健康發(fā)展，煤矸石均具有較好的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

［1］ 葛澤圣，黃曉明，等.公路橋涵臺(tái)背回填材料研究綜述［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7(4).

［2］ 董倩.煤矸石山堆積形態(tài)及穩(wěn)定性分析研究［D］.重慶大學(xué)，2006.

［3］ 姜利，董建勛，張錦生.橋涵臺(tái)背回填煤矸石壓實(shí)試驗(yàn)研究［J］.中外公路，2013，(4).

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0026－02

2015－02－09

徐玉曉(1982－)，女，工程師，研究方向:路基路面與道路工程材料、城市道路地下空間綜合開(kāi)發(fā)利用技術(shù)。

黑龍江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目《橋涵背煤矸石回填技術(shù)研究》，項(xiàng)目編號(hào):2009023。