沈正偉，涂圣武

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

近年來，國家保護生態(tài)環(huán)境的力度加大，嚴格管控碎石開采，碎石材料采購因此受到影響，高速公路外運砂石材料成本顯著增加。同時，隨著公路建設(shè)的推進，山區(qū)公路隧道施工會產(chǎn)生大量的洞渣，受施工工藝、施工組織管理等方面的限制，洞渣目前并未得到很好的利用。直接廢棄隧道洞渣會占用大量的土地資源，處理洞渣則會耗費大量的人力和物力。近年來，隨著科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用和推廣，隧道洞渣的利用在公路建設(shè)中越來越受到重視。從國內(nèi)洞渣的利用情況來看，目前在四川、廣東、福建、湖南、貴州、江蘇及浙江等地已有嘗試利用隧道洞渣作為筑路材料的實例，如用千枚狀板巖和泥質(zhì)粉頁巖填筑路基[1]，將硬質(zhì)砂巖作為水泥穩(wěn)定混合料的集料[2]，將花崗巖及玄武巖綜合利用于路基填筑、路面原材、生態(tài)砌塊及道面鋪裝[3]等。目前已有關(guān)于洞渣利用的討論，如Olbrecht和Studer[4]對盾構(gòu)機產(chǎn)生的隧道棄渣用于混凝土等措施展開研究；從國內(nèi)外洞渣利用及研究現(xiàn)狀來看，洞渣用于路基填筑的情況最多，也有部分高速公路嘗試將洞渣用于路面[5]和水泥混凝土[6-7]等工程中，但總體而言相對較少。由于隧道施工周期長，隧道開挖與路基填筑匹配性較差，然而，若能將洞渣用于路面和混凝土工程，將產(chǎn)生較大的效益。因此，如何對隧道洞渣進行綜合利用是公路建設(shè)者必須面對和解決的緊迫問題。

本文對宜長高速公路隧道洞渣的應(yīng)用展開研究。宜長高速公路位于宜南山區(qū)，隧道施工共產(chǎn)生洞渣約110.79萬m3，主要為石英砂巖，其中圍巖等級為Ⅲ級的洞渣約有23.7萬m3。采用合理的甄別、分揀措施和破碎加工工藝，將洞渣進行分類堆放、處理，將品質(zhì)合格的隧道洞渣加工成碎石后應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層或底基層，不僅降低了外購路面碎石和遠運的成本，同時也減少了堆放隧道洞渣占用的土地資源，實現(xiàn)了廢物利用，產(chǎn)生了巨大社會效益和經(jīng)濟效益。因此，對宜長高速公路的石英砂巖隧道洞渣進行分類，并合理應(yīng)用為水泥穩(wěn)定碎石的集料，有著重要的工程意義，可供類似工程參考。

1 石英砂巖洞渣特性

宜長高速公路隧道主要巖層為志留系茅山組下段(S3m1)石英砂巖，隧道洞渣如圖1所示。

洞渣為砂狀碎屑結(jié)構(gòu)，主要造巖礦物為長石、石英等，巖石礦物組成以砂狀碎屑為主，含少量雜基。砂狀碎屑粒級為細砂，呈不規(guī)則狀，成分以石英為主，含部分斜長石碎屑。石英碎屑重結(jié)晶作用較強，顆粒間多呈鋸齒狀、鑲嵌狀。雜基成分為微粒石英和絹云母等，為硅泥質(zhì)重結(jié)晶物。

隧道Ⅲ級圍巖單軸飽和抗壓強度較高，在60 MPa 以上，平均值為114 MPa；大部分圍巖單軸飽和抗壓強度在90 MPa以上，為硬質(zhì)巖石。隧道Ⅲ級圍巖單軸飽和抗壓強度如表1所示。

表1 隧道Ⅲ級圍巖單軸飽和抗壓強度

綜上，結(jié)合《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中關(guān)于制備碎石的巖石的抗壓強度要求“在水飽和狀態(tài)下，其抗壓強度火成巖應(yīng)不小于80 MPa，變質(zhì)巖應(yīng)不小于60 MPa，水成巖應(yīng)不小于 30 MPa”可知，隧道洞渣加工成碎石是可行的。

2 石英砂巖洞渣集料分析

結(jié)合宜長高速公路隧道洞渣的特點，對隧道洞渣進行甄別和分揀，并分類堆放，將品質(zhì)合格的洞渣運至隧道洞渣破碎處置中心。

2.1 洞渣甄別和分揀

依據(jù)不同圍巖隧道洞渣交替分布的特點，按母材巖質(zhì)和風(fēng)化程度將各隧道段洞渣進行初步分類，對品質(zhì)較好的洞渣以每2 000 t為一批次，用榔頭敲擊進行粗略甄別，并將初步判定品質(zhì)合格(未出現(xiàn)破碎或少量破碎)的洞渣運至堆料場分類堆放；然后對料場的洞渣以每500 t/次隨機取樣，并進行飽和抗壓強度檢測，將飽和抗壓強度在60 MPa及以上的高強度巖石運送至洞渣破碎處置中心進行碎石加工。

2.2 洞渣加工

將品質(zhì)合格的隧道洞渣運至隧道洞渣破碎處置中心，母材經(jīng)直線振動給料機送至顎式破碎機，加工成粒徑為15 cm左右的塊料，再經(jīng)皮帶傳輸機送至圓錐破碎機，破碎成粒徑為5 cm左右的塊料，再送至反擊式破碎機進行破碎，細破后的石料送入振動篩床，篩分出不同大小的5檔碎石，通過皮帶傳輸機送至對應(yīng)規(guī)格材料的料堆。隧道洞渣加工工藝流程如圖2所示。

2.3 石英砂巖碎石主要性能

參照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)中的相關(guān)試驗方法，對隧道洞渣加工成的碎石進行檢測，得到石英砂巖性能指標如表2所示。

《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)按各項指標將碎石和卵石分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，根據(jù)該標準可知，宜長高速公路隧道洞渣加工碎石品質(zhì)較好，碎石含泥量、泥塊含量及質(zhì)量損失等性能指標均滿足Ⅰ類碎石的要求，硫化物和硫酸鹽含量、壓碎值、針片狀含量以及吸水率等性能指標均滿足Ⅱ類碎石的要求，且經(jīng)試驗檢測確認無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。

《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20—2015)將滿足要求的穩(wěn)定材料的集料分為Ⅰ、Ⅱ類，石英砂巖技術(shù)指標與規(guī)范標準指標要求如表3所示。

表3 石英砂巖技術(shù)指標與規(guī)范標準指標要求 (%)

綜上，隧道洞渣加工的石料技術(shù)指標滿足水泥穩(wěn)定材料基層、底基層集料技術(shù)要求，因此石英砂巖洞渣加工而成的碎石用于水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層是可行的。

3 石英砂巖洞渣集料在水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層中的應(yīng)用

宜長高速公路路面基層采用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石，底基層采用低劑量水泥穩(wěn)定碎石；本項目某標段采用石英砂巖隧道洞渣加工制備的碎石作為水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層集料，膠凝材料采用P.O42.5 級緩凝水泥。

3.1 原材料

3.1.1 水泥

采用P.O42.5級緩凝水泥(散裝水泥)，水泥進場入罐前停放7 d，確定其安定性合格后投入使用。夏季高溫作業(yè)時，散裝水泥入罐溫度不能高于 50 ℃。水泥各項技術(shù)指標要求及試驗結(jié)果如表4所示。

表4 水泥各項技術(shù)指標要求及試驗結(jié)果

3.1.2 石英砂巖碎石

將品質(zhì)合格的隧道洞渣制備成5檔碎石集料， 即1#料(19～31.5 mm)，2#料(9.5～19 mm)，3#料(4.75～9.5 mm)，4#料(2.36～4.75 mm)，5#料(0～2.36 mm)，將制備的碎石分類存放，為水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層備用。粗集料試驗結(jié)果如表5所示，細集料試驗結(jié)果如表6所示。

表5 粗集料試驗結(jié)果 (%)

表6 細集料試驗結(jié)果

對隧道洞渣加工碎石進行篩分試驗，篩分結(jié)果如表7所示。

表7 集料篩分試驗結(jié)果

3.1.3 工程用水

就近選用某水庫中的水，經(jīng)檢測各項指標合格。

3.2 石英砂巖洞渣集料在路面基層和底基層中的應(yīng)用

3.2.1 水泥穩(wěn)定碎石底基層

路面底基層采用低劑量水泥穩(wěn)定碎石，集料采用石英砂巖隧道洞渣加工的碎石，水泥穩(wěn)定碎石底基層集料合成級配曲線如圖3所示。

經(jīng)配合比試驗確定，低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層水泥摻量為3%，采用靜壓成型法和振動成型法進行相關(guān)試驗，底基層混合料試驗結(jié)果如表8所示，底基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強度如表9所示。

表8 底基層混合料試驗結(jié)果

表9 底基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強度

由表8、表9可知，采用石英砂巖洞渣碎石為集料的低劑量水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度滿足水泥穩(wěn)定材料底基層工程相關(guān)技術(shù)要求。

從現(xiàn)場取芯結(jié)果看，芯樣完整、無損壞，說明水泥穩(wěn)定石英砂巖碎石成型質(zhì)量好。底基層取芯芯樣如圖4所示。

施工過程中對低劑量水穩(wěn)碎石底基層混合料進行試驗檢測，低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料檢測結(jié)果如表10所示，低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料篩分結(jié)果(水洗法)如表11所示。

表10 低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料檢測結(jié)果

表11 低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料篩分結(jié)果(水洗法)

由表10、表11可知，以石英砂巖洞渣碎石為集料的低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料無側(cè)限抗壓強度均滿足工程相關(guān)的設(shè)計要求，且波動較小，混合料級配良好。

3.2.2 水泥穩(wěn)定碎石基層

路面基層采用抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層[8]，集料采用石英砂巖隧道洞渣加工而成的碎石，水泥穩(wěn)定碎石基層集料合成級配曲線如圖5所示。

經(jīng)配合比試驗確定抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層水泥摻量為4%，采用靜壓成型法和振動成型法進行相關(guān)試驗，基層混合料試驗結(jié)果如表12所示，基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強度如表13所示。

表12 基層混合料試驗結(jié)果

表13 基層混合料7 d無側(cè)限抗壓強度

由表12、表13可知，采用石英砂巖洞渣碎石為集料的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強度滿足水泥穩(wěn)定材料基層工程的相關(guān)技術(shù)要求。

從現(xiàn)場取芯結(jié)果看，芯樣完整、無損壞，且各層黏結(jié)效果好，說明水泥穩(wěn)定石英砂巖碎石成型質(zhì)量好。基層取芯芯樣如圖6所示。

施工過程中對抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層混合料進行試驗檢測，無側(cè)限抗壓強度及級配檢測結(jié)果如表14所示，水穩(wěn)碎石基層混合料篩分結(jié)果(水洗法)如表15所示。

表14 無側(cè)限抗壓強度及級配檢測結(jié)果

表15 水穩(wěn)碎石基層混合料篩分結(jié)果(水洗法)

由表14、表15可知，以石英砂巖洞渣碎石為集料的抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層混合料無側(cè)限抗壓強度均滿足工程相關(guān)的設(shè)計要求，且波動較小，混合料級配良好。

3.3 應(yīng)用效果

本項目將品質(zhì)合格的隧道洞渣(Ⅲ級圍巖)加工成碎石后，將約13.8萬m3的隧道洞渣應(yīng)用為水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層集料；將隧道洞渣變廢為寶，實現(xiàn)了隧道洞渣的有效利用，不僅緩解了采購路面碎石材料的壓力，也節(jié)約了工程成本，同時有效地保護了生態(tài)環(huán)境，做到了節(jié)地、節(jié)材，產(chǎn)生了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。路面基層施工現(xiàn)場如圖7所示。

4 結(jié)語

宜長高速公路隧道洞渣母巖主要為石英砂巖，隧道洞渣單軸飽和抗壓強度在60 MPa以上，平均值為114 MPa。經(jīng)甄別和分揀，對飽和抗壓強度在60 MPa 及以上的高強度洞渣采用聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)工藝加工成碎石。經(jīng)試驗檢測，碎石壓碎值、針片狀含量等指標滿足水泥穩(wěn)定材料集料要求，因此成功將13.8萬m3隧道洞渣應(yīng)用于宜長高速公路低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層和抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層，解決了棄渣占用大量土地的問題，同時避免了棄渣破壞生態(tài)環(huán)境，減少了大量人力、物力資源浪費和其他浪費。