已燃煤矸石作为桥涵台背回填材料可行性分析

徐玉晓，姜 利，董建勋

(1.青岛市市政工程设计研究院;2.东北林业大学土木工程学院)

已燃煤矸石作为桥涵台背回填材料可行性分析

徐玉晓1，姜 利2，董建勋1

(1.青岛市市政工程设计研究院;2.东北林业大学土木工程学院)

国内外常用的桥涵台背回填材料主要有天然级配砂砾、石灰稳定土以及EPS轻质混凝土等材料，而对于固体废弃物煤矸石作为桥涵台背回填材料的应用实践较少。对于黑龙江、山西、内蒙古等煤炭省而言，如果将排放出的大量固体废弃物煤矸石作为桥涵台背回填材料，一方面在降低工程造价的同时，另一方面将减少因煤矸石堆积占用大量的宝贵土地资源，进而实现合理利用资源、保护环境的目的。结合依七高速公路桥涵背回填煤矸石工程实践，从技术、经济两方面论证煤矸石作为桥涵台背回填材料的可行性进行分析。

台背回填;煤矸石;沉降观测;效益分析

1 工程概况

依七高速公路起点和哈同高速相接，重点和鹤大高速相接，是黑龙江省骨架公路网规划高速公路系统的联二线。该高速公路全长110余km，总投资约35亿元，采用四车道全封闭、全立交标准设计，设计车速100 km/h。

建设单位本着科技创新、节约成本和保护保护环境三项原则，在依七高速K103+000至施工终点桥涵台背回填段(工程范围内合计大小桥涵31座)采用七台河堆积大年限在10年以上的已燃煤矸石作为桥涵背回填材料，通过工程实践，进而实现新技术、新工艺、新材料在公路工程中的广泛应用。

2 应用效果评价

2.1 施工工艺

通过在依七高速桥涵背回填段进行现场摊铺试验，最终总结出了适合桥涵台背回填煤矸石的施工工艺流程，具体如下。

前期准备→煤矸石性能试验→基底处理→回填段测量放样及反开挖→煤矸石摊铺整平→现场洒水→分层碾压与夯实→压实质量检测(沉降差法、固体体积率法等方法)→继续分层填筑→满足设计标高→堆载预压或封层。见图1。

图1 台背回填现场施工图

2.2 施工注意事项

(1)台背回填施工过程质量控制

施工单位和监理人员在确保桥台(桩基)、基底承载力(压实度)满足规范要求后方可进行已燃煤矸石的回填。

台背回填过程中，监理员和施工员要记录好回填煤矸石的最大粒径、颗粒级配、松铺厚度、机械设备组成、碾压遍数、洒水方式、压实检测方法等满足施工工艺要求的其他内容，避免后期出现返工情况。

(2)运输过程的环境保护

天然堆积的已燃煤矸石含水量基本为零，开采的煤矸石具有含水率低、灰分多、较大颗粒多的特点，车辆在运输煤矸石过程中如果不能做好覆盖措施，会造成运输过程中的粉尘飞扬等污染环境的情况发生。煤矸石在运输过程中需要根据煤矸石的颗粒特征、燃烧程度采取帆布覆盖等保护措施。运输煤矸石过程中尽可能避免运输刚刚洒水的煤矸石，避免对运输路段的道路造成污染。

(3)煤矸石开采安全问题

现场堆积的煤矸石存在完全燃烧、部分燃烧或未燃的煤矸石山，煤矸石山的稳定性较差，开采煤矸石过程中要做好安全保护工作，由专业人员或经过严格培训的施工员负责现场指挥开采，同时制定合理的煤矸石开采方案。

2.3 后期沉降观测分析

以K117+800互通桥台背回填煤矸石为例，进行后期沉降监测。该桥涵台背回填高度为8.5 m(不含地基处理深度)，为得到台背回填段分层沉降随时间变化规律，在回填段从上至下埋设了I1号、I2号、I3号、I4号沉降磁环(磁环距台背顶面距离分别为1.0 m、3.5 m、6.5 m和8.5 m)，并在路面摊铺之前进行了为期一年的实地监测，监测结果见图2所示。

图2 分层沉降随时间变化规律图

通过近一年的沉降观测，互通桥台背回填段的中分带沉降量合计为43 mm(地基沉降为31 mm，煤矸石压缩沉降为11 mm)，截至到2011年9月，地基沉降和已燃煤矸石自身压缩沉降均趋于稳定。继续进行观测，回填段沉降较小，且变坡未出现任何滑移情况的发生。互通桥回填段的分层沉降观测结果表明，分层压实后的煤矸石具有压缩性小、稳定性好、沉降量小的特点。

依七高速公路通车三年多来，所采用已燃煤矸石进行的桥涵背回填段均未出现明显桥头跳车情况，表明煤矸石作为桥涵台背回填材料从技术上是完全可行的。

3 经济效益分析

3.1 直接经济效益

依七高速前期设计过程中全线均采用七台河地区天然级配砂砾作为桥涵台背回填材料。施工过程中，综合考虑七台河地区堆积有大量的强度高、稳定性好的已燃煤矸石，从节约工程造价的目的出发，在进行室内实验的基础上，部分路段的桥涵台背回填采用煤矸石材料。

根据建设单位和施工方签订的承包合同发现，K103+ 00至施工终点采用煤矸石回填的工程造价可比采用砂砾回填1 m3约降低28元。K103+000至终点段所有桥涵台背回填工程量约7万m3，相比采用天然砂砾回填材料而言，仅依七高速15 km路段(不含路基采用煤矸石填筑，仅仅指桥涵台背回填煤矸石)建安费就可以节约工程成本200余万元。

3.2 间接经济效益

(1)土地效益

堆积的固体废弃物—煤矸石作为道路建筑材料，占用的农田或建设用地将得到合理利用。

按照七台河堆积的已燃煤矸石按照一般情况下坡度为30°～40°，根据依七高速公路实际开采填筑的煤矸石工程量进行计算，最少可节省七台河土地资源约12.7亩。已燃煤矸石山圆锥体公式

土地面积计算公式

通过综合开发利用煤矸石造成的土地利用间接经济效益，按农田年收益1 500元每亩，使用年限30年计算，仅依七高速试验段利用煤矸石一项，就可创造约57万元的土地效益。

(2)农业效益

国内外研究表明，煤矸石的大量在堆积过程中会对周边1 km范围内的农产品造成较大污染污染。根据国内学专家采用的农作物受污染后减产计算模型得出，开采的一座煤矸石山的影响区域面积为4 847亩，可挽回的农业损失为72.7万元/年。

(3)综合治理效益

为了防止堆积的煤矸石因燃烧造成山体滑坡、大气污染，七台河地区每年都要对堆积的煤矸石进行灭火、封堵等措施，根据七台河地区煤矸石山堆积区1 m3需平均投入0.3元的治理费用计算，仅依七高速桥涵背回填煤矸石一项，就可为当地节约治理煤矸石山的费用合计月76万元。

综上以上分析计算可知，对于在七台河矿区乃至全国其他矿区城市修筑高等级公路，如果将煤矸石代替天然级配砂砾作为道路、台背填筑材料，将会产生明显的经济、环境社会效益。间接效益见表1。

表1 间接效益统计结果

4 结束语

工程实践证明，将煤矸石作为桥涵台背回填材料，从技术上是完全切实可行的，对煤炭开采城市而言，如果将煤矸石代替天然砂砾进行桥涵背回填材料或路基填筑材料，具有明显的经济效益，对于促进煤矸石变废为宝，减少因煤矸石堆积造成的当地环境污染问题，实现土地的二次开发利用，推动社会的可持续健康发展，煤矸石均具有较好的开发利用价值。

［1］ 葛泽圣，黄晓明，等.公路桥涵台背回填材料研究综述［J］.交通运输工程学报，2007，7(4).

［2］ 董倩.煤矸石山堆积形态及稳定性分析研究［D］.重庆大学，2006.

［3］ 姜利，董建勋，张锦生.桥涵台背回填煤矸石压实试验研究［J］.中外公路，2013，(4).

U416.1

C

1008－3383(2015)10－0026－02

2015－02－09

徐玉晓(1982－)，女，工程师，研究方向:路基路面与道路工程材料、城市道路地下空间综合开发利用技术。

黑龙江省交通运输厅科技项目《桥涵背煤矸石回填技术研究》，项目编号:2009023。