川藏铁路西藏段沿线弃渣产出及特性分析

王众乐 赵大铭 严志伟 王若晨 刘大刚

新建川藏铁路雅安至林芝段全长约1 016.76 km，西藏段长545.56 km，新建隧道26座，总长470.723 km。经初步测算，西藏段将产生8 360.56×104 m3的巨量弃渣，同时需要大量的砂石骨料，线路穿越多种脆弱生态敏感区，而且地势险峻，交通不便，面临巨量弃渣处置与天然建材短缺的矛盾。为了分析川藏铁路沿线各隧道及工区利用弃渣生产机制砂石骨料的可行性，为后续合理调配弃渣规划提供基础，文章通过对现有勘察设计资料整理统计分析，通过spss软件对仅有的钻孔样本数据进行对数正态分布验证分析，得到了各隧道预计产出的弃渣量，预估了西藏段不同围岩岩性、围岩等级所产出的渣土强度，认为绝大部分弃渣强度能满足C30混凝土的要求。并结合现场筛分试验，弃渣粒径理论预测公式计算与工程经验推断本次工程弃渣钻爆法约有0 %、TBM法约有20%不满足混凝土骨料粒径要求。

弃渣; 川藏铁路; 隧道; 围岩岩性; 岩石强度; 渣土粒径

U215.2   A

[定稿日期]2021-08-02

[作者简介]王众乐（1998～），男，硕士，研究方向为隧道及地下工程。

2020年11月8日，川藏铁路（雅安至林芝段）开工动员大会在北京和川藏铁路控制线工程色季拉山隧道、大渡河特大桥三地同时进行，标志着川藏铁路正式开工建设。川藏铁路线路全长约 1 577 km，设计速度 120～200 km/h，是西南腹地及华中、华东地区进出西藏最快速、便捷的客货运输主通道，也是支撑“一带一路”倡议、实施长江经济带战略的重要基础设施。它对国家长治久安、巩固边疆稳定，促进沿线国土开发、整合旅游资源、引导产业布局，全面实现国家社会经济可持续发展具有重要的战略意义。

德国[1]早在20世纪70年代颁布了一系列关于废物利用的法规。日本[2] 1997 年在编制的《建设资源再利用推进计划》中即提出了建设发生土的有效利用目标，并将 2000年的利用率目标设定为 80 %。意大利[3]2006年提出隧道弃渣利用计划。发达国家对建筑渣土的再利用起步早于我国。Olbrecht et al.[4]对盾构机产生的隧道弃渣是否可作为混凝土骨料开展了5项试验研究，认为未经处理的渣土也可能直接用于混凝土拌和。Gertsch et al.[5]认为对于符合建筑材料标准的TBM法施工产生的硬质岩弃渣可用作混凝土骨料。西成客专[6]建设项目中，筛选母岩强度60 MPa以上的弃渣生产细度模数2.5～3.3的机制砂，用于制备强度等级C35及以下的混凝土。凤凰岭隧道[7]将弃渣中的碎石用于混凝土，片石用于修筑护坡、挡墙、排水沟渠等圬工砌筑、隧道明洞和仰拱填充等，利用率达66 %。雁楠公路[8]取隧道弃渣作为V型沟谷高填方路堤填筑材料，并使用格宾挡墙对边坡进行加固，采用路基代替桥梁方案，提高了隧道弃渣利用率，节省了工程用地和投资。

弃渣是一种资源，国外从上世纪就已经开始着手对其进行再利用，并达到了十分高的利用水平。而我国的弃渣资源再利用仍处于起步阶段。文本旨在对进行弃渣产量、强度、粒径分析，为进一步的研究川藏铁路弃渣高效利用提供基础资料，以解决雅林段巨量弃渣产出与天然砂石骨料短缺的矛盾。

1 工程背景

川藏铁路雅安至林芝段全长约 1 016.76 km，拟新建隧道 72 座，总长约 837.23 km，隧线占比高达82.3 %。据初步测算，川藏铁路建设过程将产生约1.5×108 m3的巨量弃渣。其中，西藏段约540 km，桥隧比96%，线路跨金沙江后，经贡觉、昌都、邦达，跨怒江、穿伯舒拉岭至波密、林芝。隧道26座总长约471 km，有全线第一长隧42.4 km的易贡隧道、第一高海拔隧道——果拉山隧道（轨面最高4 470 m）、最大埋深隧道——拉月隧道（最大埋深2 080 m），隧道工程分布密集，规模尤为突出，处理这些弃渣不仅需要征用大量永久用地，弃渣的运输、维护费用同样巨大。线路平纵断面见图1（源自中铁第一勘察设计院）。

图1 川藏铁路雅林段线路平纵断面

川藏铁路所经区域是全球生物多样性25个热点地区之一，也是我国35个生物多样性有限保护区域之一，工程经过国家生态安全战略格局中“青藏高原生态屏障”和“黄土高原-川滇生态屏障”;线路穿越原始森林、高原草甸、高原湿地、干旱河谷等多种脆弱生态敏感区，有众多珍稀保护野生动植物，沿线自然环境恶劣，高海拔、低压缺氧，生态环境易遭破坏且难以恢复。

川藏铁路沿线地势险峻、山高坡陡、河谷深切，嶺谷相间排列，其相对高差 2 000～3 000 m，地形条件极为复杂，受峡谷地形和环境敏感区限制，弃渣场地设置困难，个别隧道弃渣运距长达数十公里，弃渣处理和水土流失防控难度大;此外，工程建设还需要大量的建筑材料，据初步测算，全线建设约需砂石料1.1×108 m3，由于沿线多处于高原地区，环境恶劣、人口稀少、经济基础薄弱，交通基础设施配套严重不足，导致工程建材供应十分困难。

2 川藏铁路西藏段弃渣产出分析

2.1 弃渣产量分析

新建川藏铁路雅林段在西藏境内长545.56 km，新（改）建车站13座，新建隧道26座，共长470.723 m，隧道开挖预计共产生弃渣8 360.56×104 m3，设计114处弃渣场，占地1 236 ha。为了依靠城市，结合沿线环境特点处理弃渣，将铁路分成了三段，各段隧道弃渣产量详细见表1。

2.2 弃渣原岩的围岩级别

西藏段隧道围岩以III，IV，V级为主，且表现为越远离四川境内围岩情况越好的趋势，为波密到林芝的弃渣利用率达到100 %创造了先天条件。各段围岩级别占比见图2～图4。

2.3 弃渣原岩岩性

根据仅有的波密至林芝段地质勘探和深孔钻探揭示的地层岩性，发现本段隧道经历地层岩性以花岗岩、闪长岩、片麻岩、辉长岩为主，隧道埋深附近以花岗岩和片麻岩为主。片麻岩占比54 %，花岗岩占比40 %，其他地层岩性，包括断层压碎岩、蚀变带和出入口的漂石、砂土等占比6 %，见图5。由现阶段的钻探揭示，新建川藏线原岩矿物成分以石英、长石、云母为主，有利于隧道弃渣再利用。

3 弃渣特性分析

3.1 弃渣强度分析

根据现仅有波密到林芝段沿线岩石钻孔试验数据，利用SPSS软件进行了对数正态分布拟合，发现围岩等级、岩性与岩石强度的关系见图6～图9。得到置信度为95 %条件下，本工程片麻岩、花岗岩类弃渣岩石强度取值范围分别为53.89～142.35 MPa和53.83～137.64 MPa。III、IV级围岩强度分别为60.68～139.61 MPa和48.96～137.81 MPa。V级围岩的钻孔数据量有限，不足以进行拟合分析，根据线性插值，得出95 %置信度强度取值范围为58.51～98.08 MPa。按规范[9]要求骨料原岩强度需大于混凝土强度的1.5倍，所以绝大部分弃渣满足C30混凝土对骨料强度的要求。

3.2 弃渣粒径分布预测

除孜拉山隧道、果拉山隧道、伯舒拉岭隧道、色季拉山隧道4座隧道采用TBM法为主，钻爆法辅助施工的方式，其余隧道均采用钻爆法施工。

由于新建川藏铁路并未真正意义上动工，利用现有条件，为探究TBM法施工花岗岩性弃渣的粒径分布，在地层条件与施工工法相似的青岛某地铁隧道进行了8组（III2级围岩和IV2级围岩各4组）现场筛分试验。取样工点岩性主要为钾长花岗斑岩，正长花岗岩和二长花岗岩，TBM掘进参数见表2。

分析筛分结果发现IV2级围岩颗粒粒径小于0.315 mm的占比不大于1 %，绝大部分能满足混凝土骨料对于粒径的要求;III2级围岩颗粒粒径全都在0.315 mm以上，全部满足混凝土骨料对于粒径的要求。

在岩石力学研究领域，Rosin-Rammler分布函数常被用于分析破碎及爆破方式的破碎岩渣，TBM法预测公式[10]：

R（Dp）=1-exp[-b（Dp）a]（1）

式中：R（Dp）为筛下的残余质量百分比%;Dp为粒径，即筛孔的尺寸mm;a为均匀分布常数，表征岩渣颗粒的分布均匀程度，一般情况下，参数a越小，则岩渣粒径分布范围越广，粒径分布越均匀;反之，越不均匀。b为拟合常数。

所以，只要知道Rosin-Rammler分布函数中的a、b值，就可以推算出粒径的分布情况。仅发现了一组具有参考价值的参数[11]：在TBM平均推力8 000 kN的情况下，a=0.8666，b=0.1022。可计算得到，该种情况下有18.84 %的渣土粒径小于0.160 mm，不满足混凝土骨料的粒径要求。

钻爆法预测公式[12]：

R=exp-（xxe）n（2）

式中：

n=（2.2-1.4B/d）（1-W/B）（1+（A-1）/2）LH（3）

XC=（0.693）1n（4）

式中：R为粒径比x大的岩块部分，即筛上的物料比;X为碎块直径，cm;Xc为特征块度，cm;n为均匀度指标，如果使用错开形炮孔布置，则n增大10%;B为最小抵抗线，m;d为炮孔直径，mm;W为凿岩精度的标准误差，m;A为孔距/最小抵抗线;L为底板标高以上药包长度，m;H为台阶高度，m;为平均块度，cm。

平均块度的含义实际上是指岩堆中有一半岩石能够通过那种筛网的网目尺寸，可按V.M.Kuznetsov方程计算：

=fV0Q0.8Q1/6（5）

式中：f为岩石系数，中硬岩为7，多裂隙硬岩为10，少裂隙极硬岩为13;Q为 TNT质量（kg），能量相当于一个炮孔的装药量，使用其他炸药时应进行当量换算;V0为每个炮孔爆破的岩石体积=抵抗线长度×孔距×台阶高（m3）。

例如：花岗岩地层隧道钻爆法施工，岩石系数可取f=12，当台阶高H=6.12 m，孔距d=2.2 m，最小抵抗线B=55 cm，凿岩精度误差W=0.2 m，孔距70 cm，所以A=70/55=1.27，底板标高以上药包长度L=1.5 m，台阶高度H=6.12 m，装药量Q=1.5 kg。由计算可得，该种开挖工况下100 %的渣土粒径大于0.160 mm，即钻爆法全部渣土粒径能满足细骨料的最低要求。

结合理论计算、现场试验数据与以往工程经验，推断本次工程弃渣钻爆法约有0 %、TBM法约有20 %不满足骨料粒径要求。

4 结论与建议

（1）通过分析岩石钻孔试验数据得到了不同岩性、不同围岩等级（原岩）的弃渣强度区间，认为绝大部分弃渣强度可满足C30混凝土的要求。

（2）结合理论计算、现场试验数据与以往工程经验，推断本次工程中钻爆法施工产生的弃渣粒径全部满足、TBM法施工产生的弃渣中分别约有80 %满足混凝土骨料粒径要求。

参考文献

[1] 刘岩.德国《循环经济和废物处置法》对中国相关立法的启示[J].环境科学与管理，2007（4）：25-28+34.2018， 35（4）： 60.

[2] 毕鸿章.日本重视建设工地废弃物资源再利用[J].建材工業信息，1998（1）：25.

[3] 邓涛.隧道洞渣制备机制砂及机制砂混凝土应用技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[4] Hp. Olbrecht， W. Studer. Use of TBM chip as concrete aggregate. 1998， 31（3）：184.

[5] Gertsch L ， Fjeld A ， Nilsen B ， et al. Use of TBM muck as construction material [J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2000， 15（4）：379.

[6] 李永刚，贺朝勇，卢海军.隧道洞渣生产的机制砂在西成客专混凝土工程中的应用[J].建设科技，2016（14）：154.

[7] 刘杰，荆禄波，韩晖.机制砂混凝土在凤凰岭隧道中的应用[J].公路交通科技（应用技术版），2010，6（6）：17.

[8] 王凤. V型沟谷巨粒土高填方路基修筑技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[9] GB/T14685-2001 建筑用卵石、碎石[S].

[10] 陈文莉， 福井胜则， 大久保诚介. 关于掘进机械破碎岩片的研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2003， 22（6）：1037.

[11] 闫长斌， 姜晓迪， 刘章恒，等. 基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析[J]. 岩土工程学报， 2019， 41（3）：466.

[12] C.V.B.Cunnigham， 陈志珍. 岩石爆破破碎块度的预测[J]. 矿业工程， 1983（12）：36.

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