隧道洞渣建筑材料资源化应用研究现状与存在问题分析

黄法礼，李化建，王振，易忠来，靳昊，温浩

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

砂石骨料是铁路、公路、水利等工程建设用量最大、不可或缺的基础材料，据统计，我国每年砂石骨料需求量高达200多亿t。随着工程建设对砂石骨料要求越来越高和国家、地区砂石限采政策的实施，我国优质天然砂资源日渐短缺，很多地区经历了由小幅涨价、大幅涨价、缺货、抢货到无货可抢的发展过程，不仅使工程造价大幅提高，也严重影响施工工期。随着我国高速铁路工程建设的快速发展，隧道工程数量不断攀升（见图1），截至2018年底，我国共建成高速铁路隧道3 028座，总长度约4 896 km，占高速铁路线路总长度的16.9%。当前，我国交通工程建设正向中西部转移，受地形条件的影响，中西部交通工程选线过程中常采用隧道方案穿山越岭，在山峦起伏地区常出现大量隧道群，其所占线路总长度的比例越来越大。例如，建设中的郑万铁路重庆段隧道比例高达92%，即将开工建设的西康高铁隧道比例高达82%，规划中的川藏铁路（雅安—拉林段）隧道比例高达84%。隧道工程众多使隧道洞渣量巨大且处理困难，不仅需要征用大量永久用地，弃渣的运输、维护费用巨大。隧道施工中建筑材料需求量很大，在地材资源不丰富的中西部地区，大宗建筑材料运输将大幅增加工程建设成本。如将隧道洞渣弃渣加以利用，不但可减少弃渣场和弃渣数量，降低对环境的危害，还可以变废为宝，降低工程造价，产生巨大的社会效益和经济效益。这不仅是发展绿色交通的需要，也对环境保护的可持续发展具有重要意义，是资源节约型、环境友好型发展的具体实践，更是造福于民、福荫后代的重大举措。

图1 我国已投入运营的高速铁路隧道情况

1 隧道洞渣的特点

（1）危害大：隧道洞渣的数量依据隧道规模而变化，从几万立方米到几百万立方米不等。在公路、轨道交通工程中，隧道洞渣沿隧道走向分布，弃渣处置点分散，影响区域较大。而弃渣场一般位于沟谷之中，弃渣自然堆放，一般不碾压整理，结构松散，孔隙率大，降水入渗快，且大量弃渣堆放将破坏工程建设区和工程直接影响区内原有地表植被，在暴雨作用下很容易造成极为严重的水土流失，有时还可能形成泥石流，甚至诱发滑坡灾害。更为严重的是，大量弃渣若直接堆放在河滩、河岸及支沟内，雨量较大时将随径流流入或直接滑入河道，使河道淤积、抬高河床，影响河道的过流能力，对工程区及下游地区的防洪和当地人民群众的生命、财产及生存环境构成严重威胁。同时，由于弃渣不密实，若在上面进行填土造地，易造成耕植层失水，降低土地使用效益。弃渣表面未作植被处理是沙尘的起源，如果弃渣中含有有害物质，则会对水土造成污染。

（2）性能波动大：对于开采矿山资源，除在选矿等环节存在优势外，其挖深和走向可根据材质等情况临时改变，从而保证母材和成品的岩性单一、性能稳定。对于隧道洞渣，其开挖截面尺寸和走向需严格按照设计进行。由于呈条带状开挖出料，跨区域大，性能波动也会相对较大。尤其是在高速铁路建设中，由于高速铁路线路曲线半径大，选线设计过程中难于规避不良地质，洞渣性能的不确定程度高。因此，在隧道洞渣资源化利用前应对其性能进行进一步判定。例如，用作混凝土骨料的隧道洞渣应避免含有大量脆性矿物（黏土、石膏、滑石）、非常坚硬的矿物（石榴石）及片状和纤维状矿物（云母、石墨、石棉），同时应注意高溶解度（氯化物、硫酸盐、石膏）、低耐蚀性（硬石膏、黄铁矿）和碱活性组分对混凝土性能造成的负面影响[1]。

（3）清洁度低：相比于直接开采的矿山资源，隧道洞渣品质受围岩质量及开挖、运输过程的影响，易夹杂土质，清洁程度相对较低，因此洞渣的利用需采取适当的除杂除土措施。

2 影响隧道洞渣性能的主要因素

（1）围岩级别：隧道工程围岩级别划分的理论和方法较多，但其主要评判依据大都是岩体结构、结构面特征、岩块强度、岩石类型、风化程度、地下水、地应力等。TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[2]中将围岩分成6个级别，围岩级别越小，意味着开挖的隧道洞渣品质越好，越有利于其建筑材料的资源化利用。但是围岩等级低的洞渣不一定满足制备砂石料的要求，实践表明Ⅳ/Ⅴ级围岩的玄武岩满足作为砂石料料源的标准要求，而围岩等级较低的页岩、泥岩、泥质灰岩不宜用作原料生产砂石料。设计阶段对围岩级别的判定依据是地质勘测阶段的成果，对水电工程这类投入大量工程地质勘察工作的工程较为适用，但对公路和铁路这类现状工程和勘察工作量较小的工程适用性较差。例如，美国科罗拉多州罗伯特隧道地面测绘确定的断层和岩脉是隧道开挖中遇到的断层和岩脉的1%～9%，即使是较大的断层和岩脉，测绘确定的也仅是开挖遇到的12%～47%。

（2）开挖方式：随着我国交通运输的快速发展，隧道数量和规模有了很大发展，施工技术也有了很大提高。目前，隧道工程矿山施工中，普遍采用新奥法，岩石隧道在工程施工中采用钻爆法掘进。Grunner等[3]指出，不同开挖方式产生的隧道洞渣在大小、形状和清洁度方面存在较大差异，采用TBM开挖的隧道洞渣在粒径上适合用作混凝土骨料，而采用传统钻爆法施工获得的洞渣品质因围岩自身状态和所采用爆破方式的不同而不同。Bellopede等[4]认为TBM开挖方式相当于钻爆法开挖方式所用炸药量1.5倍的效果，因此，产生的细小颗粒更多（见图2）。此外对比研究了TBM、EPB和传统开挖方式开挖的隧道洞渣建筑材料资源化利用的可行性，结果表明，与EPB和传统开挖方式相比，TBM开挖方式产生的隧道洞渣针片状颗粒含量高且表面粗糙，不适宜直接用作混凝土骨料，需对其进行整形加工后方可利用[5]。

图2 TBM开挖方式和钻爆开挖方式产生的开挖料粒径分布

3 隧道洞渣资源化利用现状

隧道洞渣是隧道开挖过程中的主要产物，对于不同的隧道围岩施工，隧道洞渣的种类繁多，其资源化利用应在充分考虑隧道围岩级别、开挖方法和洞渣物理化学性质的基础上，根据不同结构要求，选用合适的隧道洞渣。从我国隧道洞渣资源化利用情况来看，主要有以下几方面应用：一是垫砌填方段路基；二是回填取土场凹地；三是开挖地段的地貌恢复，充填平整低洼坑地，进行土地整治平整，填筑沟壑；四是用于淤背护堤、桥涵台背、挡墙等的回填用方；五是加高培厚河流堤防、加高地基；六是地基处理中的渣石料或复合地基的用料；七是弃石用于建设景观园区，修建人工景点等设施。极少用于生产砂石料进而应用于混凝土中。

3.1 国外应用现状

从国外隧道洞渣资源化利用情况来看，目前主要集中在洞渣能否作为混凝土骨料的实验室技术论证性研究上，2006年意大利提出隧道洞渣利用计划，瑞士等国也试图利用洞渣生产砂石骨料用于混凝土，并取得了一定的研究成果。Olbrecht等[6]对盾构机产生的隧道洞渣是否可作为混凝土骨料开展了5项试验研究，认为隧道洞渣作为一种“废弃产品”可用于隧道建设本身，另外针对不同洞渣特点采用合理的混凝土技术，可实现隧道洞渣在混凝土中的应用。Gertsch等[7]认为，目前人们对隧道洞渣的认识不充分，导致其很少用于工程建设中，指出对于符合建筑材料标准的硬质岩洞渣可用于路面混凝土和结构混凝土中。

3.2 我国应用现状

在忻阜高速公路工程中对隧道洞渣进行了大量应用[8]。全线开挖洞渣量达240余万m3，主要用于路堤填料、圬工砌筑、机制砂加工、碎石加工、隧道明洞及仰拱回填等，利用率达66%，节约洞渣占地超133 000 m2（200余亩），节约造价约5 000万元，体现出很好的经济效益和社会效益。在黄衢南高速公路工程浙江段项目实施过程中，设置了石料加工场，对隧道洞渣进行资源化利用，产生经济效益约800万元[9]。在湖南常德—吉首高速公路项目中也对隧道洞渣进行了资源化利用[10]，由于隧道洞渣主要为弱-微风化砂质板岩，经机械破碎后为细粒土砾，通过将细粒土砾与土组成砾石混合料后，作为路基路床层的填料。在西成客运专线建设项目中，以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主，剔除泥岩、风化岩和吸水率高的板岩后，筛选出母岩强度≥60 MPa以上的洞渣生产细度模数2.5～3.3的机制砂，用于制备强度等级C35及以下的混凝土[11]。在实际应用过程中发现，机制砂石粉含量、颗粒级配对混凝土的工作性能和强度会产生较大影响，需对不同批次机制砂及时检测，并根据检测结果对混凝土砂率、减水剂掺量等关键配合比参数进行调整。在宜巴高速公路建设项目中，利用隧道洞渣制备碎石、机制砂作为粗细骨料，用于隧道衬砌和桥梁桩基、墩柱等结构混凝土中[12]，均取得了良好的经济效益和社会效益。

目前隧道洞渣的砂石料生产加工主要是矿山砂石料场代工的方式，其加工方式及工艺水平参差不齐。整体来看，现有砂石料场以产能不足60 t/h的小砂石料场为主，生产工艺简单。近几年，京、沪、粤等地区出现了一些稍具规模的砂石料场，产能100～200 t/h，一般采用2段破碎与筛分构成闭路的流程作业。少数砂石场采用生产工艺先进、自动化水平较高的生产系统，生产能力可达500～800 t/h。

我国学者在机制砂混凝土性能研究方面已有不少探索，主要集中在机制砂中石粉合理限值、机制砂对混凝土工作性能的影响及机制砂混凝土力学性能、体积稳定性和耐久性能演变规律等。尹志府[13]通过大量试验数据回归分析出机制砂混凝土的强度统计公式，研究结果表明，与河砂混凝土相比，当水灰比相同时，机制砂混凝土的强度略高。张映全[14]也提出在混凝土中以50%的石屑取代50%中砂能极大提高混凝土的抗渗性能和抗冻性能。廖太昌[15]提出用特细砂改善机制砂级配，可配制出泵送性能良好的混凝土，并解决了机制砂配制流态混凝土内实外不美的难题。李化建[16]采用机制砂与特细砂复合方式，制备出强度等级在C50～C60的复合砂高强结构轻集料混凝土。杨德斌等[17]在大量试验的基础上，论述了石屑提高混凝土强度、改善抗渗性能与抗冻性能的机理。中国铁道科学研究院集团有限公司的研究证明，在水泥用量和拌合物稠度相等的条件下，采用机制砂配制的混凝土各项力学性能与河砂混凝土相比更好一些[18]。Ahemd等[19]在控制拌合物坍落度不变的前提下，研究了不同石粉含量（10%～20%）的机制砂对混凝土抗压强度的影响，研究表明，随着石粉含量的增加，混凝土抗压强度呈线性下降的趋势，这是因为保证相同坍落度而用水量增加的结果；另外，当控制水灰比为0.70不变时，随着石粉含量从0到20%逐渐增大，其抗压强度有上升趋势；但当水灰比固定为0.53时，石粉含量变化对其抗压强度的影响又变得不明显；当水灰比固定为0.40、石粉含量从10%增加到20%时，强度先增大后减小，石粉含量达到20%时，混凝土强度与同配比的天然砂强度相当。

4 存在问题分析

（1）隧道洞渣资源化利用方面：目前隧道洞渣的资源化利用仍处于起步阶段，对洞渣是否可利用没有合理的评价依据，对洞渣资源化利用的全过程缺乏系统研究。

（2）基于隧道洞渣的砂石料制备技术方面：生产设备层次参差不齐，产品暂无准入制度，现有机制砂石骨料设备多适用于工点相对集中的建筑工程，尚且缺少针对洞渣特点的适用于铁路工程的高品质砂石骨料生产技术。

（3）基于隧道洞渣的机制砂石骨料混凝土制备方面：缺少针对机制砂这种富含石粉骨料的混凝土配合比设计理论与应用技术支撑，加之部分工程技术人员对机制砂及机制砂混凝土认识不足，尤其对利用洞渣制备的机制砂配制混凝土更是心存疑虑，导致机制砂混凝土应用种类单一，应用量极少，最终从一定程度上限制了机制砂推广应用的广度与深度。