鐵路隧道機制砂生產(chǎn)經(jīng)濟技術(shù)研究

房玉中，陳曉成，羅先剛，徐世均

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶　404100)

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鐵路隧道機制砂生產(chǎn)經(jīng)濟技術(shù)研究

房玉中，陳曉成，羅先剛，徐世均

(中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶404100)

摘要：隨著國家工程建設(shè)的全面鋪開，工程施工用砂(河沙)日益緊張，存在運距遠(yuǎn)、單價高等現(xiàn)象，給項目施工帶來巨大的成本壓力。以渝黔鐵路天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線為例，基于環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展的要求，對機制砂生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)濟效益進行研究，進一步推廣其在鐵路工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；機制砂；機制砂混凝土；環(huán)水保；經(jīng)濟

據(jù)統(tǒng)計，截至2014年底，我國鐵路運營隧道已達(dá)11 516座，總長約10 482.152 km。目前在建鐵路隧道4 500座，總長8 300 km；已建公路隧道12 404 處，累計長度10 756.700 km；已建成的各類水工隧道也超過10 000 km。砂是建筑基礎(chǔ)材料之一，近年來砂的需求量一直在增長，而天然砂的開采面臨著資源迅速減少及環(huán)境保護的壓力。各地在保護資源、減少污染的大前提下，利用礦石、尾礦及河卵石生產(chǎn)機制砂，其被廣泛用于各類工程中[1]。

在我國西南、中南等地，一些地區(qū)缺少天然砂石料資源，而這些地區(qū)正在開發(fā)建設(shè)，對機制砂的需求就更大，故迫切需要尋找新的砂源來彌補天然砂的短缺，而西南地區(qū)地層多為石灰石，石料及混凝土骨料儲量豐富，如果在沿線采石制備機制砂，成本較低。因此，合理利用好當(dāng)?shù)刎S富的資源，用機制砂取代天然砂，將是解決天然砂短缺非常經(jīng)濟的方法，也是形勢所需。20世紀(jì)50年代修建獅子灘、上猶江、流溪河等水電站工程時，都曾建立機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代映秀灣水電站工程采用棒磨機制砂。70年代烏江渡工程建成了規(guī)模較大的機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)的機制砂質(zhì)優(yōu)價廉。80年代后期，大化、巖灘、天生橋二級、漫灣、東風(fēng)、五強溪、隔河巖、寶珠寺、江婭等大型水電站工程均采用了機制砂生產(chǎn)線，取得了較好的經(jīng)濟效益。但鐵路建設(shè)大量使用機制砂時間不長，需要加強研究鐵路系統(tǒng)機制砂生產(chǎn)線。機制砂生產(chǎn)線主體設(shè)備包括振動喂料機、鄂式破碎機、反擊式破碎機、振動篩、集中電控和皮帶輸送機等。如何把生產(chǎn)線各種型號破碎設(shè)備與輔助設(shè)備進行組合，形成經(jīng)濟、實用的機制砂生產(chǎn)線，使之生產(chǎn)的機制砂成本低、質(zhì)量優(yōu)，拌制的機制砂混凝土能夠滿足鐵路工程施工需要，應(yīng)作為下一步的研究重點[2-5]。

渝黔鐵路天坪隧道為單洞雙線隧道，位于重慶與貴州交界的桐梓縣境內(nèi)，正洞全長13 978 m，平導(dǎo)長11 775 m，分為進口段、斜井、出口段3部分施工。該隧道沿線均為山區(qū)，地質(zhì)主要是石灰?guī)r，礦石資源豐富，沒有天然砂。本文以渝黔鐵路天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線為例，從經(jīng)濟、技術(shù)等方面對鐵路隧道機制砂生產(chǎn)進行研究，以確保鐵路工程項目降低成本，增加效益[6]。

1機制砂母材要求

機制砂按技術(shù)要求分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，Ⅰ類宜用于強度等級大于或等于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強度大于或等于C30、小于C60及有抗凍、抗?jié)B要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強度等級小于C30的混凝土。機制砂宜采用開采的新鮮母巖制作。母巖巖石抗壓強度的要求宜滿足Ⅰ類機制砂不小于80 MPa、Ⅱ類機制砂不小于60 MPa、Ⅲ類機制砂不小于30 MPa的要求。

根據(jù)渝黔鐵路混凝土強度要求，需要Ⅱ類機制砂，對母巖強度要求不低于60 MPa。為提高經(jīng)濟效益，加工前需對母巖進行強度檢測、篩選和清洗。通常，母材含土量每超過1%，會降低混凝土強度5%～10%，要想保持混凝土強度不變則水泥用量要增加5%。因此，對母巖進行篩選是減少水泥消耗，提高社會經(jīng)濟效益的一項重要途徑[7]。

2機制砂生產(chǎn)線工藝改進研究

機制砂生產(chǎn)線包括給料機、顎式破碎機、反擊破碎機、制砂機、傳送帶、振動篩、螺旋洗砂機等主要設(shè)備。設(shè)備選型要考慮設(shè)備的生產(chǎn)能力與系統(tǒng)匹配，某一設(shè)備的生產(chǎn)能力不應(yīng)小于系統(tǒng)的能力，否則會限制系統(tǒng)能力的發(fā)揮；但也不應(yīng)有過大的富余，否則會無謂增加固定設(shè)備的投入費用。此外，還需考慮生產(chǎn)線設(shè)備的節(jié)能性和經(jīng)濟性。

渝黔鐵路天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線設(shè)計用砂12萬m3，年最高用砂7萬m3，月最高用砂1萬m3，80%砂供應(yīng)量集中在2014—2015年。隧道施工過程中，月最高機制砂加工量為0.65萬m3，日最高機制砂加工量為500 m3，每d最高生產(chǎn)工作時間為10 h(夜間不生產(chǎn))，每h機制砂最高加工量為50 m3，折合重量為80 t(機制砂按照1.6 t/m3計算)，即天坪隧道進口處機制砂生產(chǎn)線的砂處理能力為80 t/h。實踐證明，天坪隧道進口處機制砂生產(chǎn)線完全滿足現(xiàn)場施工生產(chǎn)的需要。

天坪隧道進口段的機制砂生產(chǎn)線已在鐵路施工中成功運用，其生產(chǎn)工藝也已經(jīng)在實踐中得到了檢驗，這里只探討對原有機制砂生產(chǎn)線工藝的一些改進。以往在鐵路工程施工中采用FG1000螺旋式洗砂機洗砂，而FG1000螺旋式洗砂機螺旋轉(zhuǎn)速較快，現(xiàn)場一般為11轉(zhuǎn)/ min，致使分級脫水時溢流速度過大，水洗過程中將0.075～0.15 mm檔細(xì)砂沖走，導(dǎo)致機制砂級配不連續(xù)。為解決0.075～0.15 mm檔細(xì)砂流失問題，天坪隧道進口段施工時增設(shè)了FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水倉，并安裝了多檔調(diào)節(jié)電氣開關(guān)控制轉(zhuǎn)速，以確保螺旋轉(zhuǎn)速降下來，并從粗砂過濾后混水中含的細(xì)砂中再次提洗0.075～0.15 mm的砂子出來，且將其與粗砂混合，從而使機制砂顆粒級配斷檔得到了彌補，解決了機制砂級配斷檔技術(shù)難題[8]。

3機制砂及機制砂混凝土研究

3.1機制砂級配合規(guī)性研究

以往經(jīng)驗表明，機制砂某一粒徑的缺失會導(dǎo)致生產(chǎn)的混凝土工作性能不足，故機制砂生產(chǎn)中保持其級配合規(guī)非常重要[9]。

為研究天坪隧道進口段機制砂工藝改進后其級配是否得到優(yōu)化，需對機制砂進行采樣篩分。首先關(guān)閉FG500螺旋洗砂機，采集3組機制砂；然后開啟FG500螺旋洗砂機，采集3組機制砂。在實驗室內(nèi)對上述6組機制砂進行篩分試驗，數(shù)據(jù)見表1。

表1　各檔集料重量所占百分比

注：組1～3是關(guān)閉FG500螺旋洗砂機采集的數(shù)據(jù)，組4～6是開啟FG500螺旋洗砂機采集的數(shù)據(jù)。

由表1可以看出，關(guān)閉FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水倉后，0.3～9.5 mm檔砂重量占各檔總重量的百分比基本沒有變化，變化最為嚴(yán)重的是0.075～0.15 mm檔砂。由此可以推測，開啟FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水倉前，0.075～0.15 mm檔砂流失最為嚴(yán)重；開啟FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水倉后，0.075～0.15 mm檔砂重量占各檔總重量百分比明顯增大，達(dá)到了回收0.075～0.15 mm檔砂的目的，并使機制砂級配得到優(yōu)化。

細(xì)度模數(shù)是表征砂粒徑的粗細(xì)程度及類別的指標(biāo)，故在生產(chǎn)中掌握細(xì)度模數(shù)就可以知道砂的粗細(xì)程度。

細(xì)度模數(shù)公式為：

式中：Mx為細(xì)度模數(shù)；A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm篩的累計篩余百分率。

以上6組砂的細(xì)度模數(shù)計算如下：

由6組砂的細(xì)度模數(shù)可以看出，在增設(shè)FG500螺旋洗砂機和迂回式過濾水倉后，組4～6細(xì)度模數(shù)有所降低，但仍屬于粗砂。根據(jù)現(xiàn)場采集的樣本，發(fā)現(xiàn)為渝黔鐵路天坪隧道進口處生產(chǎn)的機制砂基本上均為粗砂，極少數(shù)為中砂。

3.2機制砂混凝土研究

在拌制機制砂混凝土?xí)r，為驗證工藝改進后生產(chǎn)的機制砂按一定配合比拌制機制砂混凝土后是否能夠滿足施工生產(chǎn)要求，現(xiàn)場對機制砂混凝土進行了試件制作和同條件養(yǎng)護?；炷猎O(shè)計強度為C35，現(xiàn)場試配強度為42.3 MPa。

對4個混凝土進行了現(xiàn)場試配，主要是對混凝土水膠比和砂率進行調(diào)整，并從配合比、坍落度、7 d強度、28 d強度、56 d強度進行對比分析[9-10]。

第1組：水膠比為0.40的配合比，砂率42%，(砂率偏小)。

第2組：水膠比為0.40的配合比，砂率43%。

第3組：水膠比為0.42的配合比，砂率43%。

第4組：水膠比為0.43的配合比，砂率44%。

針對每組不同水膠比和砂率指標(biāo)，分別配制混凝土，對實測坍落度、實測擴展度、7 d強度、28 d強度、56 d強度數(shù)據(jù)進行采集，采集的數(shù)據(jù)見表2～5，具體試驗過程見圖1～4[10]。

表2　水膠比0.40，砂率0.42時的實測數(shù)據(jù)

表3　水膠比0.40，砂率0.43時的實測數(shù)據(jù)

表4　水膠比0.42，砂率0.43時的實測數(shù)據(jù)

表5　水膠比0.43，砂率0.44時的實測數(shù)據(jù)

圖1　進口段生產(chǎn)的機制砂

圖2　拌制試件

圖3　試件養(yǎng)護

圖4　試件強度測試

從表2～5數(shù)據(jù)可知，在水膠比為0.40，砂率為0.42時，配置的機制砂混凝土實測坍落度為200 mm，擴展度為500 mm，均符合設(shè)計要求。從長期養(yǎng)護的試件看其強度也均符合設(shè)計和配置要求。其它幾組試件雖然在坍落度和擴展度上滿足規(guī)范要求，但配置的機制砂混凝土強度達(dá)不到現(xiàn)場試配強度要求。因此，生產(chǎn)中只要選取好配合比，機制砂配置的混凝土就可以滿足施工規(guī)范要求。

4機制砂經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益

4.1經(jīng)濟效益

天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線投產(chǎn)后，設(shè)計用砂12萬m3。施工中由于存在超欠挖，且主要是欠挖且比較嚴(yán)重，故實際用砂都在20萬m3左右。采用自制機制砂成本為28元/ m3，而如果從市場上購買河沙則成本為120元/m3，其總價要高出自制機制砂約1 800萬元。另外，當(dāng)?shù)貦C制砂價格為67元/m3，故即使在當(dāng)?shù)刭徺I其總價也要高出自制機制砂約800萬元。因此，天坪隧道進口段自建機制砂生產(chǎn)線可節(jié)約成本約800萬元，經(jīng)濟效益巨大。

我國加入世貿(mào)組織后，我國施工企業(yè)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。在一個開放的環(huán)境中，建筑市場孕育著巨大的商機，也潛藏著殘酷的競爭，而建筑市場的競爭在一定程度上就是成本的競爭。施工企業(yè)必須通過強化管理降低工程成本，提高經(jīng)濟效益。只有在保證工程工期和質(zhì)量的前提下，以低成本支持低價格，才能使企業(yè)在競爭中立于不敗之地。

4.2環(huán)境效益

當(dāng)今社會對環(huán)境保護的要求越來越高，任何一個企業(yè)在自身發(fā)展的同時，都不能夠以犧牲環(huán)境為代價。機制砂生產(chǎn)過程中往往伴隨著噪音擾民、粉塵污染大氣、廢水污染河流等現(xiàn)象。為此，天坪隧道在設(shè)計和選型時充分考慮采用噪音低、粉塵小的設(shè)備，設(shè)置了3級沉淀池和過濾設(shè)備，并在施工中安裝水噴頭、設(shè)置音障。

天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線的過濾設(shè)備為改進工藝后引進的，主要由壓濾機機架、濾布、濾板、液壓站、壓力表、液壓油管、水嘴組成。過濾設(shè)備的主要作用是通過沉淀池將污水抽到過濾機過濾，使細(xì)砂石粉等小顆粒與水分開，排除的廢水達(dá)到國家4類用水標(biāo)準(zhǔn)，過濾水可以反復(fù)利用，從而使日用水量由以前500 m3減少至20 m3，實現(xiàn)了施工生產(chǎn)污水零排放。過濾設(shè)備的壓濾機及其排出的廢水見圖5、圖6。

圖5　壓濾機

圖6　壓濾機排出的廢水

4.3社會效益

渝黔鐵路天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線改進了生產(chǎn)工藝后，社會各方均給予高度評價，為公司在業(yè)內(nèi)贏得了良好的口碑，也贏得了當(dāng)?shù)乩习傩盏臒崃覔碜o，大大提高了公司的知名度。

5結(jié)束語

本文對渝黔鐵路天坪隧道進口段機制砂生產(chǎn)線改進生產(chǎn)工藝后生產(chǎn)的機制砂進行了分析，發(fā)現(xiàn)機制砂級配良好，滿足規(guī)范施工用砂要求。對機制砂拌制的混凝土試件進行了分組驗證，結(jié)果表明，只要水膠比、砂率選取得當(dāng)，生產(chǎn)的機制砂混凝土工作性能完全滿足設(shè)計和施工規(guī)范要求。

另外，本文還對機制砂生產(chǎn)線生產(chǎn)、經(jīng)濟技術(shù)進行了研究，從經(jīng)濟、環(huán)保、社會效益等方面進行了論證。結(jié)果表明，進一步推廣機制砂生產(chǎn)線在工程項目中的應(yīng)用，對于保持企業(yè)在經(jīng)營中立于不敗之地相當(dāng)重要。

參 考 文 獻(xiàn)

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Economic and Technical Research on Production of Machine-made Sand for Railway Tunnels

FANG Yuzhong, CHEN Xiaocheng, LUO Xiangang, XU Shijun

Abstract:With appearance of national project construction in full swing, sand (river sand) for construction of projects in increasingly strained, phenomena such as long transport distance and high unit price, etc. exist, which bring huge cost pressure to construction of projects. With the production line of machine-made sand at inlet section of Tianping Tunnel on Chongqing-Guizhou Railway as an example, and based on the requirements of environmental protection and economic development, this paper studies production technology and economic benefit of machine-made sand, and further popularizes its application in railway projects.

Keywords:railway tunnel; machine-made sand; machine-made sand concrete; environmental protection; economic

文章編號：1009-6477(2016)01-0113-05

中圖分類號：U455.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：房玉中(1983-)，男，湖北省鐘祥市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-05-21

基金項目：中鐵隧道集團一處有限公司科技創(chuàng)新計劃項目(201304)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.025