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，隨著公路建設的推進，山區(qū)公路隧道施工會產生大量的洞渣，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，隨著科技成果的轉化應用和推廣，隧道洞渣的利用在公路建設中越來越受到重視。從國內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粉頁巖填筑路基[1]，將硬質砂巖作為水泥穩(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。目前已有關于洞渣利用的討論，如Olbrecht和Studer[4]對盾構機產生的隧道棄渣用于混凝土等措施展開研究；從國內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用展開研究。宜長高速公路位于宜南山區(qū)，隧道施工共產生洞渣約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，將品質合格的隧道洞渣加工成碎石后應用于水泥穩(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，產生了巨大社會效益和經濟效益。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。

洞渣為砂狀碎屑結構，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，為硅泥質重結晶物。

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，結合《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中關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不小于80 MPa，變質巖應不小于60 MPa，水成巖應不小于 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

依據不同圍巖隧道洞渣交替分布的特點，按母材巖質和風化程度將各隧道段洞渣進行初步分類，對品質較好的洞渣以每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

將品質合格的隧道洞渣運至隧道洞渣破碎處置中心，母材經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，根據該標準可知，宜長高速公路隧道洞渣加工碎石品質較好，碎石含泥量、泥塊含量及質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，且經試驗檢測確認無潛在堿-硅酸反應危害。

《公路路面基層施工技術細則》(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指標滿足水泥穩(wěn)定材料基層、底基層集料技術要求，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 ℃。水泥各項技術指標要求及試驗結果如表4所示。

表4 水泥各項技術指標要求及試驗結果

3.1.2 石英砂巖碎石

將品質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。粗集料試驗結果如表5所示，細集料試驗結果如表6所示。

表5 粗集料試驗結果 (%)

表6 細集料試驗結果

對隧道洞渣加工碎石進行篩分試驗，篩分結果如表7所示。

表7 集料篩分試驗結果

3.1.3 工程用水

就近選用某水庫中的水，經檢測各項指標合格。

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試驗，底基層混合料試驗結果如表8所示，底基層混合料7 d無側限抗壓強度如表9所示。

表8 底基層混合料試驗結果

表9 底基層混合料7 d無側限抗壓強度

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)定碎石無側限抗壓強度滿足水泥穩(wěn)定材料底基層工程相關技術要求。

從現(xiàn)場取芯結果看，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果

表11 低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層混合料篩分結果(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限抗壓強度均滿足工程相關的設計要求，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試驗，基層混合料試驗結果如表12所示，基層混合料7 d無側限抗壓強度如表13所示。

表12 基層混合料試驗結果

表13 基層混合料7 d無側限抗壓強度

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)定碎石無側限抗壓強度滿足水泥穩(wěn)定材料基層工程的相關技術要求。

從現(xiàn)場取芯結果看，芯樣完整、無損壞，且各層黏結效果好，說明水泥穩(wěn)定石英砂巖碎石成型質量好。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，無側限抗壓強度及級配檢測結果如表14所示，水穩(wěn)碎石基層混合料篩分結果(水洗法)如表15所示。

表14 無側限抗壓強度及級配檢測結果

表15 水穩(wěn)碎石基層混合料篩分結果(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限抗壓強度均滿足工程相關的設計要求，且波動較小，混合料級配良好。

3.3 應用效果

本項目將品質合格的隧道洞渣(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，產生了較好的社會效益和經濟效益。路面基層施工現(xiàn)場如圖7所示。

4 結語

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)產生產工藝加工成碎石。經試驗檢測，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。