高速鐵路混凝土拌合站布設(shè)和選型研究

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司工經(jīng)處 湖北 武漢 430063)

一、前言

為了進一步提高社會經(jīng)濟發(fā)展，滿足快速增長的客運需求，國家發(fā)展改革委、交通運輸部、中國鐵路總公司聯(lián)合發(fā)布了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，勾畫出了新時代“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)，截止至2019年初，中國已建成高速鐵路里程達(dá)到了2.5萬公里，高鐵技術(shù)領(lǐng)跑全球，根據(jù)規(guī)劃要求，預(yù)計2025年高鐵里程將達(dá)到3.8萬公里，高速鐵路進入全面建設(shè)時期。

我國的高速鐵路具有如下特點：

1.橋隧比重高。高速鐵路的行駛速度通?？蛇_(dá)到300-350km/h，為了保證行車的安全性和乘客的舒適性，對線路的要求非常苛刻，因此線路方案通常采用穿山架橋的方式，導(dǎo)致高速鐵路的橋隧占比高。比如：京滬高速鐵路全線橋梁長度約1140km，占正線長度比例達(dá)86.5%；武廣高鐵橋梁全長約460km，占正線長度比例達(dá)59.61%；鄭西高鐵橋梁全長250.23km，隧道全長76.85km，橋隧占比達(dá)78.23%。

2.質(zhì)量要求高，混凝土消耗量大。高速鐵路縱橫中國版圖，沿途地形多樣，地質(zhì)條件復(fù)雜，為了確保工程進度和施工質(zhì)量，材料、設(shè)備的及時供應(yīng)至關(guān)重要。而混凝土的消耗量占所有材料消耗的百分之六十以上，據(jù)統(tǒng)計，僅京滬高鐵的混凝土消耗量就已經(jīng)超過了3000萬立方米，顯然，這對拌合站的持續(xù)供應(yīng)能力提出了更高的要求，因此合理的選址至關(guān)重要。

二、混凝土集中拌合站

混凝土拌合站是用來集中拌制混凝土的聯(lián)合裝置，由于其高效的生產(chǎn)效率，以及對質(zhì)量的控制能力，常用于混凝土消耗量大、工期長的工程，因此高速鐵路建設(shè)均采用了自建拌合站，自主生產(chǎn)和供應(yīng)混凝土的方式。

(一)混凝土拌合站功能區(qū)劃分

根據(jù)其功能特性，可將拌合站劃分為混凝土生產(chǎn)區(qū)、骨料存放區(qū)、試驗檢測區(qū)、保障系統(tǒng)、辦公區(qū)和生活區(qū)等。其中混凝土生產(chǎn)區(qū)是拌合樓和粉料存儲倉的安裝區(qū)，是拌合站的核心功能區(qū)域，其他功能區(qū)要加強與生產(chǎn)區(qū)的緊密聯(lián)系，從而能夠更好的發(fā)揮生產(chǎn)力。骨料存放區(qū)是一個材料存儲區(qū)域，能夠存儲滿足一定時期混凝土生產(chǎn)需求的骨料(砂石)，實際應(yīng)用中會按照混凝土標(biāo)號的不同設(shè)置一定數(shù)量的骨料倉。試驗檢測區(qū)會設(shè)置專門的試驗室，主要針對用于混凝土生產(chǎn)的骨料進行性能檢測，是保證混凝土性能關(guān)鍵。

(二)混凝土拌合站設(shè)備配置

拌合站的機械配置應(yīng)與施工質(zhì)量、安全要求相適應(yīng)，并與施工組織相協(xié)調(diào)，注重發(fā)揮機械總體的最大效率，滿足施工進度指標(biāo)要求。

根據(jù)《鐵路混凝土拌和站機械配置技術(shù)規(guī)程》(Q/CR9223-2015)規(guī)定混凝土拌和站主要設(shè)備配置如下：(1)配套主機：攪拌機應(yīng)具備在規(guī)定時間內(nèi)將混凝土物料攪拌成均勻混凝土的要求。為滿足高速鐵路供應(yīng)需求，混凝土生產(chǎn)常選用強制式臥軸攪拌機或強制式行星攪拌機，攪拌機的型號和數(shù)量可根據(jù)混凝土峰值消耗量來確定。(2)儲料系統(tǒng)：儲料系統(tǒng)通常包括骨料儲料藏、粉料罐、水池和液體外加劑等，用于儲存各類骨料、水泥等物料，其容量宜設(shè)置為額定生產(chǎn)量的1.25～2.5倍，還應(yīng)具備防潮、防水的能力。(3)供料系統(tǒng)：供料系統(tǒng)包括骨料、粉料、水和外加劑的供輸設(shè)備，骨料輸送一般使用斜皮帶輸送機、提升斗等，水泥及摻和劑的輸送可采用斗式提升機、氣動輸送設(shè)備等，水等液體物料宜采用泵送。(4)配料與計量設(shè)備：配料設(shè)備需滿足拌合站各類配料功能的需要。計量設(shè)備應(yīng)包括稱量斗、計量秤以及相應(yīng)的操作機構(gòu)，秤量精度應(yīng)滿足響應(yīng)的精度要求。(5)氣路系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)：氣路系統(tǒng)主要包括空壓機、儲氣罐、供氣管路、氣水分離器等。用于為混凝土拌制的正常進行，提供合適的供氣壓力和供氣量，氣路系統(tǒng)向攪拌機卸料們、骨料儲料倉底門、計量斗底門或蝶閥，須適應(yīng)相應(yīng)氣缸和裝置的工作能力和效率。(6)電力、控制與信息系統(tǒng)：電力系統(tǒng)應(yīng)包括動力配電、電力控制、保護控制、保護監(jiān)控、照明等。除了應(yīng)該滿足相應(yīng)的工藝需求外，還應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)范要求。供電電源應(yīng)采用三相五線制，混凝土攪拌站的工點宜采用專用電纜引入。

(三)混凝土拌合站布設(shè)原則

高速鐵路混凝土工程耗資巨大且工期緊張，合理的拌合站布設(shè)有利于節(jié)省投資和組織協(xié)調(diào)，因此混凝土拌合站的選址應(yīng)遵循如下原則：(1)跨越大江大河的大跨度橋梁，在兩岸應(yīng)考慮分別設(shè)置混凝土攪拌站，原則上不考慮混凝土通過施工棧橋跨越河流運輸。(2)為滿足工期要求，特大橋地段混凝土攪拌站供應(yīng)半徑按不大于5公里考慮。其他地段混凝土攪拌站供應(yīng)半徑按不大于10公里考慮，供應(yīng)半徑最大的不得大于15公里。(3)混凝土攪拌站選址應(yīng)充分考慮永臨結(jié)合，有效利用預(yù)留工程、鐵路貨場、站坪、維修基地等。不能永臨結(jié)合的混凝土攪拌站選址避開易積水和嚴(yán)重不良地質(zhì)地點，并遠(yuǎn)離生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)。(4)混凝土攪拌站的選點結(jié)合拆遷工程量、土建工程量、供料情況、運輸條件、地形條件等因素，并按宜大不宜小，宜少不宜多的原則，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選后合理確定配置方案。

三、高速鐵路混凝土供運特點

高速鐵路為線型工程，跨越區(qū)域地形多變，交通情況復(fù)雜，且由于高速鐵路對混凝土質(zhì)量要求較高，這對混凝土的供運提出了更高的要求。

(一)受峰值混凝土用量影響

1.橋梁工程。高速鐵路橋梁梁部結(jié)構(gòu)多為預(yù)制簡支箱梁，因簡支箱梁一般在梁場內(nèi)完成預(yù)制，不列入全線橋梁工程混凝土峰值分析范圍內(nèi)，余下混凝土消耗主要分布在鉆孔樁、承臺、墩身及特殊孔跨工程上，可按以下公式計算橋梁工程峰混凝土需求。

Qmax=Qm×L/P

式中：Qmax—橋梁最高峰混凝土需求量(m3)；Qm—橋梁下部結(jié)構(gòu)(鉆孔樁、承臺、墩身及特殊孔跨)每延米圬工(m3/m)；L—橋梁長度(m)；P—橋梁下部施工工期(月)。

2.隧道工程。隧道通常采用鉆爆法施工，其主要混凝土混凝土消耗發(fā)生在襯砌階段，根據(jù)“施組設(shè)計規(guī)范”中鉆爆法施工進度指標(biāo)，并結(jié)合施工組織設(shè)計確定的隧道工程施工進度，通?？砂匆韵鹿接嬎闼淼拦こ套罡叻寤炷列枨罅俊?/p>

Qmax=P×Qm

式中：Qmax——隧道最高峰混凝土需求量(m3)；P—隧道進度指標(biāo)(延長米/月)；Qm—隧道每延米圬工(m3/m)。

3.無砟軌道工程。高速鐵路正線部分通常采用無砟軌道，其主要混凝土消耗分布在底座(支撐層)、道床板，根據(jù)“施組設(shè)計規(guī)范”中無砟軌道施工進度指標(biāo)，并結(jié)合施工組織設(shè)計確定的施工進度指標(biāo)，通?？砂匆韵鹿接嬎惴寤炷列枨罅俊?/p>

Qmax=P×Qm

式中：Qmax—無砟軌道最高峰混凝土需求量(m3)；P—無砟軌道進度指標(biāo)(延長米/月)；Qm—無砟軌道每延米圬工(m3/m)。

通過對多個高鐵項目混凝土用量的統(tǒng)計分析，可得在各類地區(qū)各項工程的平均混凝土消耗量如下表1所示，供設(shè)計階段分析使用。

表1 混凝土用量參考參數(shù)表

(二)受拌合站生產(chǎn)能力影響

混凝土拌和站設(shè)計生產(chǎn)能力應(yīng)根據(jù)混凝土最大月施工任務(wù)量和高峰強度確定，并考慮備用。通過對多個高鐵項目混凝土拌合站相關(guān)技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計分析，可如下表2拌合站相關(guān)配置參數(shù)，可供設(shè)計階段分析參考使用：

表2 混凝土拌合站配置參數(shù)表

(三)受運輸車速度和拌合物初凝時間影響

1.混凝土運輸車運輸速度限制。根據(jù)《GBT26408-2011混凝土攪拌運輸車》規(guī)定：混凝土攪拌運輸車在運輸途中，攪拌筒以(1～3)r/min的攪動轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，攪拌車最高車速不得超過50km/h。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)可得運輸車運輸速度如下表3所示。

表3 混凝土運輸車運輸速度

2.拌合物初凝時間限制。根據(jù)《鐵路混凝土拌和站機械配置技術(shù)規(guī)程》(Q/CR9223-2015)規(guī)定：混凝土攪拌運輸車在運輸混凝土過程中，應(yīng)控制混凝土拌和物從攪拌機卸出至澆筑完畢的最大延續(xù)時間，延續(xù)時間不宜超過表4規(guī)定，混凝土輸送距離不宜超過20km。

表4 混凝土從攪拌機卸出至澆筑完畢的延續(xù)時間表

四、案例分析

新建合肥至新沂高速鐵路某特大橋全長13.43km，全橋采用簡支箱梁342孔(其中32m梁型317孔、24m梁型25孔)、特殊孔跨的(48+80+48連續(xù)梁)2聯(lián)、(40m+72m+40m連續(xù)梁)2聯(lián)、(60m+100m+60m連續(xù)梁)2聯(lián)和(112m+228m+112m連續(xù)剛構(gòu)拱)1聯(lián)。混凝土主梁與鋼混結(jié)合梁采用鋼混結(jié)合段連接，長度6.0m，起到順暢可靠傳遞各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、扭矩和剪力的作用。標(biāo)準(zhǔn)簡支梁采用預(yù)制架設(shè)施工，連續(xù)梁采用掛籃懸臂澆筑施工，連續(xù)剛構(gòu)拱采用“先梁后拱”施工方法。水中墩根據(jù)不同水深分別采用雙壁鋼圍堰、單壁鋼圍堰、鋼板樁圍堰施工，陸上橋墩及基礎(chǔ)采用常規(guī)方法施工。

(一)工程混凝土需求量分析

簡支箱梁通常采用預(yù)制架設(shè)方式，所以本文不考慮簡支箱梁的混凝土消耗，只考慮該橋基礎(chǔ)、承臺、墩身施工和連續(xù)梁澆筑所需混凝土的用量，經(jīng)統(tǒng)計分析后，結(jié)果顯示其混凝土總消耗量達(dá)到21.81萬立方米，其中鉆孔樁需用12.35萬立方米、承臺需用4.53萬立方米、墩身需用4.14萬立方米、連續(xù)梁需用0.79萬立方米。根據(jù)施工組織安排，該橋主體結(jié)構(gòu)施工工期按18個月編排，平均每月需用混凝土1.21萬立方米。而鉆孔樁、承臺、墩身和連續(xù)梁的施工工期通常為8～10月，根據(jù)施工階段的不同混凝土消耗速率也有顯著差異，據(jù)此可將施工分為3個階段。經(jīng)過測算可知第一階段單日峰值混凝土消耗量可達(dá)1211m3/日，第二階段可達(dá)1392m3/日，第三階段可達(dá)578m3/日，所以可按最高日消耗量1392m3/日來對拌合站進行布設(shè)和選型。

(二)混凝土拌和站的布設(shè)與分析

高速鐵路混凝土消耗量巨大，所以通常采用大規(guī)?；炷涟韬险荆捎么笠?guī)模拌合站必然導(dǎo)致運輸距離增加，所以在滿足供應(yīng)需求的前提下應(yīng)該均衡考慮運輸距離和拌合站數(shù)量的設(shè)置。結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況可知，型號2HZS60、2HZS90、2HZS120采用比較廣泛，由表2可知，2HZS60日生產(chǎn)率可達(dá)768m3/日、2HZS90日生產(chǎn)率可達(dá)1152m3/日、2HZS120日生產(chǎn)率可達(dá)1536m3/日。根據(jù)工程實際并結(jié)合交通特點，為減少混凝土的運輸距離和滿足運輸時間限制要求，提出兩種設(shè)置方案：方案一：設(shè)置3處2HZS60型拌和站、方案二：設(shè)置2處2HZS120型拌和站，并進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

1.拌合站建設(shè)費。根據(jù)國鐵科法[2017]30號《鐵路基本建設(shè)工程設(shè)計概(預(yù))算編制辦法》的規(guī)定,臨時場站費用一般應(yīng)計列場地土石方、地基處理、生產(chǎn)區(qū)硬化面、圬工等主體費用以及修建“大臨”而發(fā)生的租用土地、青苗補償、拆遷補償、復(fù)墾及其他所有與土地相關(guān)費用。依據(jù)本概預(yù)算編制辦法，結(jié)合最新的概預(yù)算定額，可計算出相應(yīng)規(guī)模的拌合站建設(shè)費用：方案一為123.6萬元/處×3處=370.8萬元；方案二為158.9萬元/處×2處=317.8萬元。通過對比可知方案一比方案二建設(shè)費投資多53萬元。

2.混凝土拌制費。根據(jù)《鐵路工程基本定額》(TZJ2000-2017)，2HZS60型拌和站，對應(yīng)預(yù)算定額YY-38，攪拌站生產(chǎn)能力≤60m3/h，其單價為199.92元/10m3；2HZS60型拌和站，對應(yīng)預(yù)算定額YY-40，攪拌站生產(chǎn)能力≤120m3/h，其單價為145.97元/10m3。通過對比可知方案一比方案二每立方米混凝土投資多53.95元，總投資多1176.65萬元。

3.混凝土運輸費。根據(jù)《鐵路工程基本定額》(TZJ2000-2017)，混凝土運輸對應(yīng)定額YY-51，混凝土攪拌運輸車(容量)≤10m3，結(jié)合定額使用可進一步計算出每公里運輸綜合單價為18.6元/10m3。方案二比方案一的平均運輸距離增加約2km，因此每運輸1立方混凝土方案一比方案二少37.2元，合計投資比方案二少811.322萬元。

綜上所述，方案二對比方案一的總投資減少約418.328萬元，故推薦方案二。

五、結(jié)束語

高速鐵路建設(shè)對混凝土質(zhì)量要求高，用量大，混凝土拌合站布設(shè)和選型的合理性直接影響項目投資和施工工期。由于高速鐵路為線型工程，各工點的混凝土消耗量也受工程類型和施工階段影響，因此應(yīng)該結(jié)合項目實際進行深入的計算，對于混凝土需求較大的地區(qū)，應(yīng)輔以大規(guī)?；炷涟韬险荆?jié)約拌制費用；對于混凝土需求量較小且里程較長的地區(qū)，應(yīng)該綜合考慮運輸距離的影響。同時，也說明了工程經(jīng)濟專業(yè)技術(shù)人員不能僅僅局限于本專業(yè)的業(yè)務(wù)知識，還要進一步拓寬視野，研究和掌握新的設(shè)計思路和方法。