石天奇SHI Tian-qi

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

0 引言

截至2022 年底，全國鐵路營業(yè)里程達15.5 萬公里，其中高鐵4.2 萬公里。隨著平原地區(qū)路網(wǎng)逐漸形成，鐵路建設(shè)的主戰(zhàn)場將由平原逐漸向山區(qū)轉(zhuǎn)移。山區(qū)鐵路橋隧占比高、砂石需求量較大，受施工組織、施工工藝、建設(shè)管理條件等各方面限制，目前山區(qū)鐵路項目對隧道棄渣的使用率較低。若隧道棄渣無法合理利用，勢必增加隧道棄渣量和石料外借量，進而影響山區(qū)鐵路沿線生態(tài)環(huán)境，造成資源浪費。因此，開展山區(qū)鐵路隧道棄渣利用與施工組織設(shè)計動態(tài)優(yōu)化研究對解決隧道棄渣使用率低的問題具有十分重要的意義。

Jayawardane[1]等簡化施工過程中開挖和填筑的時間因素，基于整數(shù)規(guī)劃建立施工進度和土石方調(diào)配聯(lián)合模型，進一步優(yōu)化了土石利用情況。Hp.Olbrecht[2-3]等研究發(fā)現(xiàn)隧道棄渣在滿足規(guī)范要求的條件下可以用作高性能混凝土粗骨料。Mohamed Karimi[4]等建立了公路工程模糊線性規(guī)劃土石方調(diào)配模型。曹生榮[5]等考慮了土石方調(diào)配與施工進度的時空效應(yīng)，優(yōu)化土石方調(diào)配線性規(guī)劃模型。段劍峰[6]參照鐵路工程高性能混凝土規(guī)范要求，從施工工期、隧道圍巖分布情況、棄渣運輸距離等多個角度，總結(jié)了建設(shè)項目隧道棄渣的利用數(shù)量以及其對工程投資的影響規(guī)律。劉宇[7]等結(jié)合宜昌市水土保持現(xiàn)狀，通過信息化平臺共享土石資源、布局倉儲基地科學(xué)規(guī)劃土石資源、建立高標準棄渣場，推動建設(shè)項目土石資源供需平衡。黃丙湖[8]等建立了修正蟻群算法計算模型，實現(xiàn)了土石方調(diào)配可視化。張仲勇[9]等調(diào)整土石開挖、填筑和工程進度等決策變量，進一步優(yōu)化土石方調(diào)配對工程投資產(chǎn)生的影響。張璐[10]采用了玄武巖棄渣用作高速公路混凝土骨料，減緩了項目混凝土骨料供應(yīng)量不足的問題。黃法禮[11]總結(jié)了隧道棄渣資源化利用的研究現(xiàn)狀仍處于初級階段，和建筑材料資源匱乏矛盾。于得水[12]利用隧道棄渣加工形成的機制砂作為試驗對象，分析了機制砂應(yīng)用于C50 混凝土的物理力學(xué)性能可行性。周博[13]以經(jīng)濟成本為目標分析了在建沈白高鐵隧道棄渣利用適用性。童源[14]研究了巖體應(yīng)力、圍巖巖性等不同地質(zhì)環(huán)境條件下，提出了隧道棄渣環(huán)保利用方法。嚴志偉[15]等以典型段隧道為依托，提出了隧道棄渣多元化利用模式。目前，隧道棄渣利用基本上只是進行了原則性的闡述，輔以理想條件下的施工組織設(shè)計，未充分考慮隧道棄渣使用過程中的動態(tài)性和施工組織設(shè)計的可調(diào)整性，得出具有普適性的隧道棄渣利用方案無法滿足實際工程需要。因此，本文綜合考慮隧道棄渣加工碎石的成品率和經(jīng)濟成本，建立隧道棄渣可利用范圍公式模型，分析不同時間下隧道棄渣供應(yīng)與實際工程中混凝土需求關(guān)系變化特征，以便為同類山區(qū)鐵路建設(shè)項目隧道棄渣利用提供理論參考和技術(shù)支持。

1 隧道棄渣利用范圍研究

山區(qū)鐵路石料的需求量是棄渣使用量與石料外借量的總和，由于每個項目的棄渣需求量是一定的，當(dāng)棄渣的使用量越高，則表明發(fā)生外借的情況越少，外借量就越低。山區(qū)鐵路隧道棄渣利用按混凝土粗骨料為先，其中II 級圍巖碎石成品率prII為53.8%，III 級圍巖碎石成品率prIII為43.4%[16]。在確定工程棄渣利用做混凝土粗骨料前，需了解鐵路沿線地質(zhì)質(zhì)巖性以及隧道圍巖分布情況，合理確定隧道棄渣可利用數(shù)量。

1.1 山區(qū)鐵路主要工程混凝土需求量分析

結(jié)合相關(guān)設(shè)計規(guī)范和既有研究成果，統(tǒng)計分析了山嶺地區(qū)不同設(shè)計時速鐵路的主要工程混凝土需求量d，見表1。單線山區(qū)鐵路路基工程混凝土需求量ds1為13.20m3/m，橋梁工程混凝土需求量db1為24.11m3/m，隧道工程混凝土需求量dt1為13.67m3/m。雙線山區(qū)鐵路路基工程混凝土需求量ds2為17.06m3/m，橋梁工程混凝土需求量db2為24.36m3/m，隧道工程混凝土需求量dt2為28.70m3/m。根據(jù)統(tǒng)計不同項目主要工程的混凝土需求量結(jié)果可知，在實際棄渣調(diào)配過程中，應(yīng)優(yōu)先供給距棄渣產(chǎn)生工點較近的隧道和橋梁工程，其次考慮路基工程。

表1 山區(qū)鐵路主要工程混凝土需求量統(tǒng)計表

1.2 混凝土粗骨料體積率

混凝土是鐵路施工中必不可少且消耗量巨大的一種工程材料，其主要由普通水泥、碎石、中粗砂、粉煤灰、減水劑、水等材料組成。合格的隧道棄渣加工破碎后可以替代碎石，作為混凝土粗骨料。通過查閱《鐵路工程基本定額》（國鐵科法[2017]33 號）得到單位等級混凝土中粗骨料（碎石）的占比[17]，如表2 所示?；炷恋燃壴礁?，粗骨料所占比重隨之降低，粗骨料在混凝土中的占比R 約為74.89%。低等級混凝土主要應(yīng)用于墊層混凝土、附屬混凝土中，主體工程混凝土等級一般較高。

表2 單位體積混凝土粗骨料（碎石）占比統(tǒng)計表

1.3 施工工期

長大隧道的工期較長，一般情況下均為控制工程，長大隧道相鄰工點相比該隧道工期較短。隧道棄渣可利用范圍主要包括巖性較好的II、III 級圍巖，而隧道進出口工區(qū)往往圍巖等級較差，因此隧道棄渣利用做混凝土粗骨料存在一定的滯后性。根據(jù)上述分析得到的圍巖碎石成品率pr、主要工程混凝土需求量d 和混凝土粗骨料體積率R，計算各級圍巖棄渣理論混凝土提供量C，見表3。

表3 混凝土需求量與隧道棄渣量關(guān)系表

通過以上分析得到混凝土需求量與隧道棄渣供應(yīng)量的動態(tài)平衡關(guān)系變化規(guī)律，見圖1。圖中混凝土需求曲線與隧道棄渣供應(yīng)曲線相交部分即為可利用隧道棄渣范圍。階段①：隧道進口工區(qū)圍巖等級普遍較差，隧道棄渣不能滿足利用條件，混凝土粗骨料絕大部分由外購解決；階段②：部分隧道開挖至II、III 級圍巖地段，可以利用隧道棄渣量持續(xù)增加，但仍不能滿足路、橋、隧各主要工程的混凝土需求量；階段③：可利用隧道棄渣量達到峰值，根據(jù)表3統(tǒng)計結(jié)果，在都不考慮多個施工斷面的情況下，每開挖單位延米隧道II 級圍巖產(chǎn)生的可利用隧道棄渣量略低于單位延米路基、橋梁、隧道同時施工的混凝土用量。因此，在路基、橋梁施工期間隧道開挖所產(chǎn)生棄渣量可以近似認為其全部可以利用（如隧道多斷面開挖，產(chǎn)生多余的隧道棄渣可以儲存至混凝土拌合站料倉內(nèi)）；階段④：路基、橋梁段陸續(xù)完工，此時隧道開挖產(chǎn)生棄渣量大于工程施工需求量，僅能利用部分棄渣；階段⑤：僅剩隧道施工，該階段中隧道棄渣僅用于本隧道施工，一部分棄渣可以儲存至混凝土拌合站料倉，用于隧道出口工區(qū)施工，剩余棄渣將運至棄渣場。

圖1 混凝土需求量與隧道棄渣供應(yīng)量的動態(tài)平衡關(guān)系示意圖

因此，路基、橋梁工程在施工期間應(yīng)盡可能利用隧道棄渣，由于隧道工期普遍較路基、橋梁工期更長，可以在條件允許的情況下盡可能推遲路基、橋梁工程施工起始時間，首先進行隧道施工。在此條件下，假定可利用隧道棄渣量為G，路基、橋梁、隧道同步施工期間混凝土需求量分別為：ds、db、dt，該時間段內(nèi)開挖隧道II、III 級圍巖長度分別為LII、LIII，隧道剩余工程施工期間混凝土需求量為qs，開挖隧道II、III 級圍巖長度為lII、lIII，則可以得出可利用隧道棄渣范圍G。

2 混凝土需求量峰值分析

整理山區(qū)鐵路建設(shè)項目路基、橋梁和隧道工程里程分部，估算沿線各工點混凝土骨料需求量，利用沿線交通運輸條件和運輸機械設(shè)備，結(jié)合實際材料供應(yīng)計劃，梳理對施工工期影響較大的長大重隧道，設(shè)置全線混凝土粗骨料運輸方案。其中，骨料加工場的碎石供應(yīng)量應(yīng)大于沿線各工程混凝土需求量峰值之和。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，參考《鐵路工程施工組織設(shè)計規(guī)范》（QC/R9004-20108）中無砟軌道施工進度指標[18]，鐵路項目混凝土峰值需求一般出現(xiàn)在路基地基處理、橋梁鉆孔樁、承臺、墩身、特殊孔跨（部分）及隧道襯砌混凝土同時施工期間。無砟軌道在橋梁下部工程和隧道襯砌工程施工完畢后施工，混凝土需求不會出現(xiàn)峰值，峰值混凝土計算時不考慮。

式中：Qy為骨料加工場碎石供應(yīng)量，單位m3。

同時，骨料加工實際成本F2應(yīng)低于外購混凝土骨料成本F1，由于鐵路工程隧道施工工藝不斷進步，特別位于山嶺地區(qū)的重點工程，混凝土骨料加工實際成本受當(dāng)?shù)剡\輸單價K 和骨料加工場與混凝土拌合站運輸距離μ 的影響較大。當(dāng)運輸成本高時，工點將不采用來自隧道棄渣的骨料，會引起外借率升高；反之，運輸成本低時，外借率也會降低。

3 結(jié)論

①II 級圍巖碎石成品率prII為53.8%，III 級圍巖碎石成品率prIII為43.4%，并得到了山區(qū)鐵路路基、橋梁和隧道工程混凝土需求量以及混凝土粗骨料體積率。

②分析了混凝土需求量與隧道棄渣供應(yīng)量的動態(tài)平衡關(guān)系變化規(guī)律，共分為五個階段，通過調(diào)整施工組織設(shè)計模型，增加了階段②～④的隧道棄渣使用量，將可利用隧道棄渣范圍公式化，提高了隧道出渣計劃和施工組織設(shè)計的匹配程度。

③考慮隧道棄渣使用過程中的動態(tài)性，在滿足骨料加工實際成本低于外購混凝土骨料成本的條件下，骨料加工場的碎石供應(yīng)量應(yīng)大于沿線各工程混凝土需求量峰值之和。