川藏鐵路西藏段沿線棄渣產(chǎn)出及特性分析

王眾樂(lè) 趙大銘 嚴(yán)志偉 王若晨 劉大剛

新建川藏鐵路雅安至林芝段全長(zhǎng)約1 016.76 km，西藏段長(zhǎng)545.56 km，新建隧道26座，總長(zhǎng)470.723 km。經(jīng)初步測(cè)算，西藏段將產(chǎn)生8 360.56×104 m3的巨量棄渣，同時(shí)需要大量的砂石骨料，線路穿越多種脆弱生態(tài)敏感區(qū)，而且地勢(shì)險(xiǎn)峻，交通不便，面臨巨量棄渣處置與天然建材短缺的矛盾。為了分析川藏鐵路沿線各隧道及工區(qū)利用棄渣生產(chǎn)機(jī)制砂石骨料的可行性，為后續(xù)合理調(diào)配棄渣規(guī)劃提供基礎(chǔ)，文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有勘察設(shè)計(jì)資料整理統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)spss軟件對(duì)僅有的鉆孔樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布驗(yàn)證分析，得到了各隧道預(yù)計(jì)產(chǎn)出的棄渣量，預(yù)估了西藏段不同圍巖巖性、圍巖等級(jí)所產(chǎn)出的渣土強(qiáng)度，認(rèn)為絕大部分棄渣強(qiáng)度能滿足C30混凝土的要求。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)篩分試驗(yàn)，棄渣粒徑理論預(yù)測(cè)公式計(jì)算與工程經(jīng)驗(yàn)推斷本次工程棄渣鉆爆法約有0 %、TBM法約有20%不滿足混凝土骨料粒徑要求。

棄渣; 川藏鐵路; 隧道; 圍巖巖性; 巖石強(qiáng)度; 渣土粒徑

U215.2?? A

[定稿日期]2021-08-02

[作者簡(jiǎn)介]王眾樂(lè)（1998～），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ獭?/p>

2020年11月8日，川藏鐵路（雅安至林芝段）開(kāi)工動(dòng)員大會(huì)在北京和川藏鐵路控制線工程色季拉山隧道、大渡河特大橋三地同時(shí)進(jìn)行，標(biāo)志著川藏鐵路正式開(kāi)工建設(shè)。川藏鐵路線路全長(zhǎng)約 1 577 km，設(shè)計(jì)速度 120～200 km/h，是西南腹地及華中、華東地區(qū)進(jìn)出西藏最快速、便捷的客貨運(yùn)輸主通道，也是支撐“一帶一路”倡議、實(shí)施長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)設(shè)施。它對(duì)國(guó)家長(zhǎng)治久安、鞏固邊疆穩(wěn)定，促進(jìn)沿線國(guó)土開(kāi)發(fā)、整合旅游資源、引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)布局，全面實(shí)現(xiàn)國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

德國(guó)[1]早在20世紀(jì)70年代頒布了一系列關(guān)于廢物利用的法規(guī)。日本[2] 1997 年在編制的《建設(shè)資源再利用推進(jìn)計(jì)劃》中即提出了建設(shè)發(fā)生土的有效利用目標(biāo)，并將 2000年的利用率目標(biāo)設(shè)定為 80 %。意大利[3]2006年提出隧道棄渣利用計(jì)劃。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)建筑渣土的再利用起步早于我國(guó)。Olbrecht et al.[4]對(duì)盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生的隧道棄渣是否可作為混凝土骨料開(kāi)展了5項(xiàng)試驗(yàn)研究，認(rèn)為未經(jīng)處理的渣土也可能直接用于混凝土拌和。Gertsch et al.[5]認(rèn)為對(duì)于符合建筑材料標(biāo)準(zhǔn)的TBM法施工產(chǎn)生的硬質(zhì)巖棄渣可用作混凝土骨料。西成客專[6]建設(shè)項(xiàng)目中，篩選母巖強(qiáng)度60 MPa以上的棄渣生產(chǎn)細(xì)度模數(shù)2.5～3.3的機(jī)制砂，用于制備強(qiáng)度等級(jí)C35及以下的混凝土。鳳凰嶺隧道[7]將棄渣中的碎石用于混凝土，片石用于修筑護(hù)坡、擋墻、排水溝渠等圬工砌筑、隧道明洞和仰拱填充等，利用率達(dá)66 %。雁楠公路[8]取隧道棄渣作為V型溝谷高填方路堤填筑材料，并使用格賓擋墻對(duì)邊坡進(jìn)行加固，采用路基代替橋梁方案，提高了隧道棄渣利用率，節(jié)省了工程用地和投資。

棄渣是一種資源，國(guó)外從上世紀(jì)就已經(jīng)開(kāi)始著手對(duì)其進(jìn)行再利用，并達(dá)到了十分高的利用水平。而我國(guó)的棄渣資源再利用仍處于起步階段。文本旨在對(duì)進(jìn)行棄渣產(chǎn)量、強(qiáng)度、粒徑分析，為進(jìn)一步的研究川藏鐵路棄渣高效利用提供基礎(chǔ)資料，以解決雅林段巨量棄渣產(chǎn)出與天然砂石骨料短缺的矛盾。

1 工程背景

川藏鐵路雅安至林芝段全長(zhǎng)約 1 016.76 km，擬新建隧道 72 座，總長(zhǎng)約 837.23 km，隧線占比高達(dá)82.3 %。據(jù)初步測(cè)算，川藏鐵路建設(shè)過(guò)程將產(chǎn)生約1.5×108 m3的巨量棄渣。其中，西藏段約540 km，橋隧比96%，線路跨金沙江后，經(jīng)貢覺(jué)、昌都、邦達(dá)，跨怒江、穿伯舒拉嶺至波密、林芝。隧道26座總長(zhǎng)約471 km，有全線第一長(zhǎng)隧42.4 km的易貢隧道、第一高海拔隧道——果拉山隧道（軌面最高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，規(guī)模尤為突出，處理這些棄渣不僅需要征用大量永久用地，棄渣的運(yùn)輸、維護(hù)費(fèi)用同樣巨大。線路平縱斷面見(jiàn)圖1（源自中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院）。

圖1 川藏鐵路雅林段線路平縱斷面

川藏鐵路所經(jīng)區(qū)域是全球生物多樣性25個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)之一，也是我國(guó)35個(gè)生物多樣性有限保護(hù)區(qū)域之一，工程經(jīng)過(guò)國(guó)家生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中“青藏高原生態(tài)屏障”和“黃土高原-川滇生態(tài)屏障”;線路穿越原始森林、高原草甸、高原濕地、干旱河谷等多種脆弱生態(tài)敏感區(qū)，有眾多珍稀保護(hù)野生動(dòng)植物，沿線自然環(huán)境惡劣，高海拔、低壓缺氧，生態(tài)環(huán)境易遭破壞且難以恢復(fù)。

川藏鐵路沿線地勢(shì)險(xiǎn)峻、山高坡陡、河谷深切，嶺谷相間排列，其相對(duì)高差 2 000～3 000 m，地形條件極為復(fù)雜，受峽谷地形和環(huán)境敏感區(qū)限制，棄渣場(chǎng)地設(shè)置困難，個(gè)別隧道棄渣運(yùn)距長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里，棄渣處理和水土流失防控難度大;此外，工程建設(shè)還需要大量的建筑材料，據(jù)初步測(cè)算，全線建設(shè)約需砂石料1.1×108 m3，由于沿線多處于高原地區(qū)，環(huán)境惡劣、人口稀少、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，交通基礎(chǔ)設(shè)施配套嚴(yán)重不足，導(dǎo)致工程建材供應(yīng)十分困難。

2 川藏鐵路西藏段棄渣產(chǎn)出分析

2.1 棄渣產(chǎn)量分析

新建川藏鐵路雅林段在西藏境內(nèi)長(zhǎng)545.56 km，新（改）建車站13座，新建隧道26座，共長(zhǎng)470.723 m，隧道開(kāi)挖預(yù)計(jì)共產(chǎn)生棄渣8 360.56×104 m3，設(shè)計(jì)114處棄渣場(chǎng)，占地1 236 ha。為了依靠城市，結(jié)合沿線環(huán)境特點(diǎn)處理?xiàng)壴?，將鐵路分成了三段，各段隧道棄渣產(chǎn)量詳細(xì)見(jiàn)表1。

2.2 棄渣原巖的圍巖級(jí)別

西藏段隧道圍巖以III，IV，V級(jí)為主，且表現(xiàn)為越遠(yuǎn)離四川境內(nèi)圍巖情況越好的趨勢(shì)，為波密到林芝的棄渣利用率達(dá)到100 %創(chuàng)造了先天條件。各段圍巖級(jí)別占比見(jiàn)圖2～圖4。

2.3 棄渣原巖巖性

根據(jù)僅有的波密至林芝段地質(zhì)勘探和深孔鉆探揭示的地層巖性，發(fā)現(xiàn)本段隧道經(jīng)歷地層巖性以花崗巖、閃長(zhǎng)巖、片麻巖、輝長(zhǎng)巖為主，隧道埋深附近以花崗巖和片麻巖為主。片麻巖占比54 %，花崗巖占比40 %，其他地層巖性，包括斷層壓碎巖、蝕變帶和出入口的漂石、砂土等占比6 %，見(jiàn)圖5。由現(xiàn)階段的鉆探揭示，新建川藏線原巖礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母為主，有利于隧道棄渣再利用。

3 棄渣特性分析

3.1 棄渣強(qiáng)度分析

根據(jù)現(xiàn)僅有波密到林芝段沿線巖石鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行了對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，發(fā)現(xiàn)圍巖等級(jí)、巖性與巖石強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖6～圖9。得到置信度為95 %條件下，本工程片麻巖、花崗巖類棄渣巖石強(qiáng)度取值范圍分別為53.89～142.35 MPa和53.83～137.64 MPa。III、IV級(jí)圍巖強(qiáng)度分別為60.68～139.61 MPa和48.96～137.81 MPa。V級(jí)圍巖的鉆孔數(shù)據(jù)量有限，不足以進(jìn)行擬合分析，根據(jù)線性插值，得出95 %置信度強(qiáng)度取值范圍為58.51～98.08 MPa。按規(guī)范[9]要求骨料原巖強(qiáng)度需大于混凝土強(qiáng)度的1.5倍，所以絕大部分棄渣滿足C30混凝土對(duì)骨料強(qiáng)度的要求。

3.2 棄渣粒徑分布預(yù)測(cè)

除孜拉山隧道、果拉山隧道、伯舒拉嶺隧道、色季拉山隧道4座隧道采用TBM法為主，鉆爆法輔助施工的方式，其余隧道均采用鉆爆法施工。

由于新建川藏鐵路并未真正意義上動(dòng)工，利用現(xiàn)有條件，為探究TBM法施工花崗巖性棄渣的粒徑分布，在地層條件與施工工法相似的青島某地鐵隧道進(jìn)行了8組（III2級(jí)圍巖和IV2級(jí)圍巖各4組）現(xiàn)場(chǎng)篩分試驗(yàn)。取樣工點(diǎn)巖性主要為鉀長(zhǎng)花崗斑巖，正長(zhǎng)花崗巖和二長(zhǎng)花崗巖，TBM掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。

分析篩分結(jié)果發(fā)現(xiàn)IV2級(jí)圍巖顆粒粒徑小于0.315 mm的占比不大于1 %，絕大部分能滿足混凝土骨料對(duì)于粒徑的要求;III2級(jí)圍巖顆粒粒徑全都在0.315 mm以上，全部滿足混凝土骨料對(duì)于粒徑的要求。

在巖石力學(xué)研究領(lǐng)域，Rosin-Rammler分布函數(shù)常被用于分析破碎及爆破方式的破碎巖渣，TBM法預(yù)測(cè)公式[10]：

R（Dp）=1-exp[-b（Dp）a]（1）

式中：R（Dp）為篩下的殘余質(zhì)量百分比%;Dp為粒徑，即篩孔的尺寸mm;a為均勻分布常數(shù)，表征巖渣顆粒的分布均勻程度，一般情況下，參數(shù)a越小，則巖渣粒徑分布范圍越廣，粒徑分布越均勻;反之，越不均勻。b為擬合常數(shù)。

所以，只要知道Rosin-Rammler分布函數(shù)中的a、b值，就可以推算出粒徑的分布情況。僅發(fā)現(xiàn)了一組具有參考價(jià)值的參數(shù)[11]：在TBM平均推力8 000 kN的情況下，a=0.8666，b=0.1022?？捎?jì)算得到，該種情況下有18.84 %的渣土粒徑小于0.160 mm，不滿足混凝土骨料的粒徑要求。

鉆爆法預(yù)測(cè)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為粒徑比x大的巖塊部分，即篩上的物料比;X為碎塊直徑，cm;Xc為特征塊度，cm;n為均勻度指標(biāo)，如果使用錯(cuò)開(kāi)形炮孔布置，則n增大10%;B為最小抵抗線，m;d為炮孔直徑，mm;W為鑿巖精度的標(biāo)準(zhǔn)誤差，m;A為孔距/最小抵抗線;L為底板標(biāo)高以上藥包長(zhǎng)度，m;H為臺(tái)階高度，m;為平均塊度，cm。

平均塊度的含義實(shí)際上是指巖堆中有一半巖石能夠通過(guò)那種篩網(wǎng)的網(wǎng)目尺寸，可按V.M.Kuznetsov方程計(jì)算：

=fV0Q0.8Q1/6（5）

式中：f為巖石系數(shù)，中硬巖為7，多裂隙硬巖為10，少裂隙極硬巖為13;Q為 TNT質(zhì)量（kg），能量相當(dāng)于一個(gè)炮孔的裝藥量，使用其他炸藥時(shí)應(yīng)進(jìn)行當(dāng)量換算;V0為每個(gè)炮孔爆破的巖石體積=抵抗線長(zhǎng)度×孔距×臺(tái)階高（m3）。

例如：花崗巖地層隧道鉆爆法施工，巖石系數(shù)可取f=12，當(dāng)臺(tái)階高H=6.12 m，孔距d=2.2 m，最小抵抗線B=55 cm，鑿巖精度誤差W=0.2 m，孔距70 cm，所以A=70/55=1.27，底板標(biāo)高以上藥包長(zhǎng)度L=1.5 m，臺(tái)階高度H=6.12 m，裝藥量Q=1.5 kg。由計(jì)算可得，該種開(kāi)挖工況下100 %的渣土粒徑大于0.160 mm，即鉆爆法全部渣土粒徑能滿足細(xì)骨料的最低要求。

結(jié)合理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與以往工程經(jīng)驗(yàn)，推斷本次工程棄渣鉆爆法約有0 %、TBM法約有20 %不滿足骨料粒徑要求。

4 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)分析巖石鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了不同巖性、不同圍巖等級(jí)（原巖）的棄渣強(qiáng)度區(qū)間，認(rèn)為絕大部分棄渣強(qiáng)度可滿足C30混凝土的要求。

（2）結(jié)合理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與以往工程經(jīng)驗(yàn)，推斷本次工程中鉆爆法施工產(chǎn)生的棄渣粒徑全部滿足、TBM法施工產(chǎn)生的棄渣中分別約有80 %滿足混凝土骨料粒徑要求。

參考文獻(xiàn)

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