混凝土攪拌站砂石料堆場一體化方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙林原

中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司

0 前言

根據(jù)綠色設(shè)計(jì)目標(biāo)，中交第三航務(wù)工程局有限公司南京分公司在承擔(dān)的蘇錫常南部高速CX-WX2 項(xiàng)目施工標(biāo)段的攪拌站砂石料堆場項(xiàng)目，采用了砂石料皮帶運(yùn)輸和洗石、入倉一體化的設(shè)計(jì)方案與技術(shù)措施。該項(xiàng)目從2018 年5月開始設(shè)計(jì)，于2018 年7月建造完成并投入使用，運(yùn)行至今近2 年。實(shí)踐證明，本方案生產(chǎn)效率高、土地利用率高、安全環(huán)保。與常規(guī)方案相比，每年可節(jié)約成本超過860萬元、節(jié)能約1400 tce、減排CO2約4800 t，并減少了臨時(shí)堆場用地，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 項(xiàng)目概況

蘇錫常南部高速CX-WX2 標(biāo)段工程工期為3年，位于太湖旅游度假區(qū)。該項(xiàng)目對(duì)環(huán)保要求高，施工高峰期對(duì)混凝土供應(yīng)要求高，因此建設(shè)了配套的混凝土攪拌站。根據(jù)項(xiàng)目所在地的平面布局、水系地形、橋梁路況，運(yùn)用節(jié)能環(huán)保理念，總投資285萬元，設(shè)計(jì)、建造了集運(yùn)輸、洗石、入倉一體化的砂石料堆場方案及配套工藝。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)能滿足混凝土連續(xù)高峰產(chǎn)量的砂石料供應(yīng)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好，不僅保護(hù)了太湖周邊環(huán)境，而且節(jié)約了能源和成本。項(xiàng)目所在位置見圖1。

圖1 項(xiàng)目總體位置圖

2 綠色設(shè)計(jì)策略與技術(shù)措施

蘇錫常南部高速CX-WX2 標(biāo)段工程設(shè)計(jì)混凝土總方量為112.75萬m3，混凝土供應(yīng)是本工程的重點(diǎn)。施工高峰期每天混凝土用量高達(dá)3000 m3，并持續(xù)5-7 天；每年的春秋兩季為施工旺季，每天混凝土生產(chǎn)量為2500 m3，持續(xù)時(shí)間3-4個(gè)月。

在擬建線路K24+200 左側(cè)設(shè)置了一個(gè)混凝土攪拌站和一個(gè)砂石料卸貨臨時(shí)碼頭。攪拌站配置了3套HZS180攪拌設(shè)備，每天攪拌能力達(dá)到3000 m3。

混凝土生產(chǎn)能力的實(shí)現(xiàn)，需要源源不斷的砂石料供應(yīng)。本項(xiàng)目所用混凝土大部分為C40，每方含砂石子為1836 kg,其中砂753 kg、石子1083 kg（砂、石比例為4:6），據(jù)此計(jì)算，混凝土需求高峰期，砂石料的最大供應(yīng)量為：

施工旺季砂石料需求量為：

整個(gè)標(biāo)段的混凝土用量折算所需要砂石料：

由于攪拌站占地面積受限，可供砂石料儲(chǔ)存的空間有限，因此，現(xiàn)有場地的最大化利用，以及持續(xù)、快速的砂石料補(bǔ)充顯得非常重要。

2.1 常規(guī)砂石料運(yùn)輸、洗石、堆場工藝

常規(guī)工藝是將砂石料從臨時(shí)碼頭通過抓斗吊機(jī)卸船、裝到自卸車上轉(zhuǎn)運(yùn)，砂子直接卸到堆場儲(chǔ)料倉，石子卸到攪拌站臨時(shí)堆場，洗石后由裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到儲(chǔ)料倉，見圖2。

圖2 砂石料轉(zhuǎn)運(yùn)車輛由碼頭到攪拌站路線示意圖

2.1.1 土地資源占用、儲(chǔ)存效率情況分析

現(xiàn)有場地可布置12個(gè)長45 m、寬16 m的砂石料儲(chǔ)料倉，砂石料堆放高度受裝載機(jī)作業(yè)高度限制，按ZL50裝載機(jī)作業(yè)高度3 m 計(jì)算，堆場最大容量為：12×45×16×3＝25920 m3，按照砂石料比重1.6計(jì)算，最大儲(chǔ)存量為：

另外，石子清洗需要臨時(shí)堆場，其占地面積大于5000 m2。

2.1.2 車輛運(yùn)輸效率、可持續(xù)供應(yīng)等情況分析

按現(xiàn)有場地、道路容量、裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)速度等綜合考慮，堆場可配備10 t 的自卸車9 輛，按每0.5 h裝卸、運(yùn)輸一車，每天工作8 h計(jì)算，不考慮受天氣、船期等因素影響，則堆場最大可運(yùn)輸砂石料：

即：180 t/h；即便按照每天2班、16 h計(jì)算，砂石料運(yùn)輸量為：

無法滿足上述計(jì)算的高峰期5508 t/d 的需求量，也無法滿足施工旺季4590 t/d的供應(yīng)。

如果按照最有利因素考慮，即砂石料滿倉、貨源船期充足、同時(shí)2班工作人員持續(xù)不斷運(yùn)輸，則施工旺季砂石料的連續(xù)供應(yīng)天數(shù)為：

一個(gè)月內(nèi)，不能滿足3-4個(gè)月的持續(xù)供應(yīng)。

另外，按照上述整個(gè)標(biāo)段砂石料207.009萬t需求、車輛正常工作每天8 h計(jì)算，則全部砂石料運(yùn)輸所需總時(shí)長為：

即需要將近4年時(shí)間（1437.56÷365＝3.94），無法滿足3年的施工期。

2.1.3 安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性情況

車輛在施工便道上行駛，很容易與其他砂石料運(yùn)輸車、渣土車、混凝土攪拌車等發(fā)生道路擁堵和車輛安全事故；砂石料在運(yùn)輸中，也容易產(chǎn)生散落、灰塵，污染環(huán)境；另外，車輛運(yùn)輸需要大量的人工、燃油消耗，成本較大。

2.2 砂石料運(yùn)輸、洗石、入倉一體化方案

為了提高砂石料的運(yùn)輸效率，我們設(shè)計(jì)了一套集碼頭卸料、運(yùn)輸、洗石、入倉于一體的砂石料輸送系統(tǒng)：運(yùn)輸由一套皮帶輸送系統(tǒng)承擔(dān)，系統(tǒng)中有砂石料轉(zhuǎn)換料斗，砂子經(jīng)過料斗，直接進(jìn)入下一條皮帶輸送、入庫；石子經(jīng)過料斗，被送入洗石機(jī)，清洗后直接進(jìn)入下一條皮帶機(jī)輸送、入庫。由此，一套系統(tǒng)，既可以輸送砂子，也可以清洗、輸送石子；而且，不需要另外設(shè)置洗石作業(yè)的臨時(shí)堆場，使砂石料從碼頭卸料到成品入倉一步到位，整個(gè)環(huán)節(jié)工藝流暢，見圖3。

如圖3 結(jié)構(gòu)和工序相同的一體化系統(tǒng)，平行建造了2 套，由于砂、石運(yùn)送的靈活轉(zhuǎn)換，大幅提高了運(yùn)送效率，具備快速補(bǔ)倉能力。

2.2.1 砂石料運(yùn)輸轉(zhuǎn)換料斗方案

為了使一套皮帶輸送系統(tǒng)既能輸送、清洗石子，又能輸送砂子，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一套砂石料轉(zhuǎn)換料斗、設(shè)置了振動(dòng)篩洗石機(jī)，見圖4。

圖3 一體化方案砂、石流轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)石子輸送至轉(zhuǎn)換料斗時(shí)，砂子閥門關(guān)閉，石子閥門、通道打開，進(jìn)入振動(dòng)篩洗石子系統(tǒng)，清洗后通過3#皮帶機(jī)、料倉皮帶機(jī)入倉堆放；而砂子輸送至轉(zhuǎn)換料斗時(shí)，石子閥門關(guān)閉，砂子閥門、通道打開，通過3#皮帶機(jī)、料倉皮帶機(jī)，直接入倉堆放。

2.2.2 砂石料運(yùn)輸?shù)妮斔蛶Х桨?/p>

根據(jù)砂石料從碼頭到儲(chǔ)料倉的運(yùn)輸距離、洗石作業(yè)、入庫補(bǔ)料等工序，在一體化砂石料輸送系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了從碼頭到儲(chǔ)料倉的1號(hào)皮帶機(jī)、2號(hào)皮帶機(jī)為純單向輸送功能，2號(hào)皮帶機(jī)后為轉(zhuǎn)換料斗，然后是3 號(hào)皮帶機(jī)（帶行走小車和橫向正反轉(zhuǎn)布料的皮帶機(jī)），將砂石料輸送入庫，最后由料倉皮帶機(jī)輸送到儲(chǔ)料倉各個(gè)位置。輸送帶總長度約500 m，兩套系統(tǒng)的料倉皮帶機(jī)間距為14.5 m。

根據(jù)料倉長度和細(xì)砂、碎石的運(yùn)動(dòng)安息角等參數(shù)，將料倉皮帶機(jī)的卸料端高度設(shè)定為8 m。

圖5 砂石料傳送帶運(yùn)輸示意圖

圖6 砂石料倉堆料示意圖

皮帶運(yùn)輸、料倉布置見圖5、圖6和圖7。

圖7 傳送帶和料倉布料實(shí)景圖

2.2.3 砂石料儲(chǔ)存和供應(yīng)能力分析

布料皮帶機(jī)卸料端高度8 m，按照可堆料高度7.5 m 計(jì)算，則12 個(gè)儲(chǔ)料倉的最大倉容為：12×45×16×7.5＝64800 m3，是常規(guī)方案倉容的2.5倍（＝64800÷25920），土地利用率明顯提高；由于不需要洗石臨時(shí)堆場，可以節(jié)約土地面積大于5000 m2。

考慮到卸料、儲(chǔ)存死角等因素，一體化方案的儲(chǔ)料倉儲(chǔ)存能力大于4.3萬m3，按照砂石料比重1.6 計(jì)算，最大儲(chǔ)存量為：4.3×1.6＝6.88萬t；按照高峰期5508 t/d、施工旺季4590 t/d 的砂石料需求，即便沒有補(bǔ)倉，該儲(chǔ)存量仍能滿足施工高峰期12.5 天的用量（＝6.88÷0.5508）、施工旺季15 天的用量（＝6.88÷0.4590），應(yīng)對(duì)大風(fēng)等惡劣天氣或其它因素影響的能力較強(qiáng)。

2.2.4 設(shè)備配置、砂石料運(yùn)送效率和可持續(xù)供應(yīng)情況分析

上述砂石料一體化解決方案，每套系統(tǒng)的設(shè)備配置見表1。

表1

按表1工效最小的設(shè)備260 t/h計(jì)算，單套系統(tǒng)卸載1船500 t 的砂石料需2 h，按照每班8 h計(jì)算，每天可卸4船500 t砂石料；由于皮帶輸送不占用道路資源、皮帶機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行管理方便，需要人員少，可以采用每天兩班16 h 運(yùn)轉(zhuǎn)，則2 套系統(tǒng)最大工作量每天可卸16 船砂石料，即8000 t/d，遠(yuǎn)大于施工高峰期5508 t/d、施工旺季4590 t/d的砂石料需求；因上述較大的倉儲(chǔ)能力，因此，本設(shè)計(jì)方案的砂石料供應(yīng)完全滿足施工需求。

2.2.5 施工難點(diǎn)控制及持續(xù)改進(jìn)

1)單根皮帶寬度為800 mm，兩側(cè)維修平臺(tái)寬度為1200 mm，兩條傳送帶寬度接近2500 mm,如果設(shè)計(jì)在碼頭引橋上，引橋?qū)?huì)很寬。因此，在碼頭旁邊打鋼管樁，支撐輸送帶，與引橋并排，避免了占用引橋，而維護(hù)時(shí)可借助引橋。

2)整個(gè)皮帶輸送系統(tǒng)總長度為490 m，分四級(jí)運(yùn)輸，經(jīng)過太湖湖面、十里明珠大堤、東環(huán)堤河等復(fù)雜地帶，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)基礎(chǔ)有較高要求。

3)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)在太湖旁，環(huán)保要求高，皮帶運(yùn)輸必須實(shí)現(xiàn)全封閉運(yùn)行，杜絕砂石料散落及揚(yáng)塵對(duì)周邊環(huán)境的污染。

4)系統(tǒng)運(yùn)行近2 年來，實(shí)際運(yùn)送砂石料超過150萬t，按前文所述的砂、石比例，石子約90萬t。按照清洗1 t石子用水0.1 t計(jì)算，將需要9萬t水，按照1/4水被石子吸收和蒸發(fā)計(jì)算，將產(chǎn)生6.75萬t洗石廢水，因此水資源的供給和廢水處理都非常重要。由于項(xiàng)目地處荒野，大量自來水供應(yīng)困難，因此，需要充分利用自然水資源，將堆場邊上清潔的河水用于清洗石子；把原設(shè)計(jì)的3 級(jí)沉淀池改為4級(jí)沉淀池，對(duì)洗石廢水進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后再還水于江河。由此既節(jié)約了項(xiàng)目用水成本，又實(shí)現(xiàn)了水資源循環(huán)使用（每年達(dá)：6.75/2=3.375萬m3），還避免了對(duì)周邊河湖的污染。

5)砂石料堆場一體化系統(tǒng)建設(shè)后，我們成立專業(yè)隊(duì)伍，從船舶運(yùn)輸?shù)缴笆系踹\(yùn)、石子清洗以及設(shè)備運(yùn)行，進(jìn)行全方位、全過程管理，確保系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 技術(shù)成效

由上述分析可知，本設(shè)計(jì)方案集成了皮帶封閉運(yùn)輸、砂石轉(zhuǎn)換分料、振動(dòng)篩洗石、水資源循環(huán)利用等一系列先進(jìn)環(huán)保的工藝流程、技術(shù)裝備，具有以下成效：

1)土地利用率高，節(jié)地效果明顯：土地利用率是常規(guī)方案的2.5 倍，節(jié)約洗石臨時(shí)堆場面積5000 m2，無需預(yù)留裝載機(jī)二次轉(zhuǎn)運(yùn)的作業(yè)通道。

2)運(yùn)輸效率高：輸送帶一體化方案，是常規(guī)車輛運(yùn)輸方案最大運(yùn)輸量的2.8 倍（＝8000÷2880）；料倉皮帶機(jī)取代了裝載機(jī)，在工效提高的同時(shí)，還提高了砂石料堆放高度，提高了倉儲(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)了土地高效利用。

3)經(jīng)濟(jì)效益好：砂石料運(yùn)輸、分料、洗石、入倉一氣呵成，減少中間環(huán)節(jié)，節(jié)約成本（詳見后面分析）。

4)污染排放少：生產(chǎn)過程中所有設(shè)備均為用電設(shè)備，不產(chǎn)生內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放。

5)環(huán)境保護(hù)好：從碼頭卸料，砂石料的運(yùn)送始終在封閉的皮帶機(jī)內(nèi)，較常規(guī)的自卸車、裝載機(jī)作業(yè)，運(yùn)輸過程產(chǎn)生的粉塵、砂石散落少，有效保護(hù)了太湖風(fēng)景區(qū)環(huán)境。

6)空間環(huán)境友好：輸送帶通過鋼管樁架設(shè)，充分利用空間。同時(shí)，輸送橋帶流暢美觀，上書宣傳標(biāo)語，提升了中交、三航形象（見圖8）。

圖8 輸送橋帶

4 推廣應(yīng)用條件

本方案砂石料運(yùn)輸、清洗和堆放一體化完成，全封閉、零污染、高效安全、節(jié)能環(huán)保、節(jié)約土地、技術(shù)成熟。隨著環(huán)保要求日益提高，特別是對(duì)建筑施工造成的污染越來越重視，本方案是建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)本方案特點(diǎn)，適應(yīng)砂石料運(yùn)輸長度在2 km 之內(nèi)，如果有水上運(yùn)輸條件更佳，但要考慮皮帶運(yùn)輸機(jī)的架設(shè)高度、地基條件、周邊環(huán)境等因素，避免在地質(zhì)條件差的復(fù)雜區(qū)域建設(shè)。

5 效益分析

5.1 節(jié)能環(huán)保效益

按上述實(shí)際每年運(yùn)送砂石料75萬t、砂石比例4:6、常規(guī)運(yùn)能180 t/h、一體化運(yùn)能250 t/h 等參數(shù)，計(jì)算不同方案、各種設(shè)備的總運(yùn)行時(shí)間和能耗量,進(jìn)行比較。

設(shè)：75萬t的砂石料，其中石子有45萬t。

5.1.1 常規(guī)砂石料運(yùn)輸、堆場方案的能耗、排放情況

砂石料運(yùn)輸車運(yùn)行時(shí)間：

ZL50 裝載機(jī)按照洗石時(shí)短駁60 t/h、石子入倉時(shí)長駁30 t/h計(jì)算，

則短駁作業(yè)時(shí)長為：45×10000÷60＝7500 h，

長駁作業(yè)時(shí)長為：45×10000÷30＝15000 h，

合計(jì)作業(yè)時(shí)長為：22500 h；

洗石機(jī)按照350 t/h計(jì)算，則作業(yè)時(shí)長為：

設(shè)備在一年內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間及能耗見表2。

CO2排放量，柴油為：

電力為：19290×0.6861÷1000＝13.23 t

合計(jì)為：3771.15＋13.23＝3784.38 t。

5.1.2 一體化系統(tǒng)砂石料運(yùn)輸、堆場方案的能耗、排放情況

按一套砂石料運(yùn)輸帶的能力計(jì)算，運(yùn)行總時(shí)長為：

洗石機(jī)按上述計(jì)算，則作業(yè)總時(shí)長為：

考慮到洗石機(jī)處于整個(gè)系統(tǒng)中，要按照系統(tǒng)輸送石子的時(shí)間，即3000×60%＝1800 h；

設(shè)備在一年的運(yùn)行時(shí)間及能耗見表3。

表3

CO2排放：

5.1.3 節(jié)能減排量計(jì)算

由上述計(jì)算可知，一體化方案與傳統(tǒng)方案比較：

每年節(jié)能：1745.15－323.05＝1422.10 tce，

節(jié)能率：1422.10÷1745.15＝81.49%；

每年減排：3784.38－671.64＝3112.74 tCO2，

減排率達(dá)：3112.74÷3784.38＝82.25%。

按照每年實(shí)際運(yùn)送處理砂石料90萬t 計(jì)算，則單位作業(yè)節(jié)能量：

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

5.2.1 常規(guī)砂石料運(yùn)輸、堆場方案經(jīng)濟(jì)分析

1）設(shè)備購置、人工綜合費(fèi)用，見表4。

2）臨時(shí)堆場建設(shè)費(fèi)：75萬元。

3）燃油費(fèi)用：即運(yùn)輸車和裝載機(jī)油耗，取上述計(jì)算數(shù)據(jù)，每年柴油消耗1387575 L，按單價(jià)6元/L計(jì)算，則每年油費(fèi)：

4）電費(fèi)：即洗石機(jī)的用電，取上面計(jì)算數(shù)據(jù)，每年19290 kWh,按無錫當(dāng)?shù)毓I(yè)電費(fèi)1.2元/kWh計(jì)算，則每年電費(fèi)：19290×1.2÷10000＝2.31萬元。

5）合計(jì)費(fèi)用：第一年為：

444＋75＋832.55＋2.31＝1353.86萬元；第二年及之后每年費(fèi)用為：

表4

即：前兩年合計(jì)費(fèi)用為：

5.2.2 一體化砂石料運(yùn)輸、堆場方案經(jīng)濟(jì)分析

1）設(shè)備購置安裝、人工綜合費(fèi)用，見表5。

2）設(shè)備每年耗電費(fèi)用：由上述能耗計(jì)算得知，所有皮帶機(jī)加洗石機(jī)每年耗電978930 kWh ,按1.2元/kWh計(jì)算，則每年電費(fèi)：978930×1.2÷10000＝117.47萬元。

3）合計(jì)費(fèi)用：第一年：335＋117.47＝452.47萬元；

第二年及之后每年費(fèi)用為：

即：前兩年合計(jì)費(fèi)用為：

5.2.3 經(jīng)濟(jì)效益比較

由上述計(jì)算可知，一體化方案與傳統(tǒng)方案相比，運(yùn)行第一年可節(jié)省費(fèi)用：

運(yùn)行兩年可節(jié)省費(fèi)用：

平均每年可節(jié)省863.39萬元。

可見經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

5.2.4 投資回收期

（投資總額285÷ 年節(jié)約金額863.39）×12＝3.96個(gè)月，即4個(gè)月內(nèi)收回成本。

表5

6 結(jié)語

砂石料堆場一體化解決方案的設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行，安全高效、節(jié)能環(huán)保，為企業(yè)節(jié)省了成本，保護(hù)了太湖環(huán)境，激發(fā)了員工科技創(chuàng)新的積極性，提高了節(jié)能環(huán)保意識(shí)，對(duì)同類型工程項(xiàng)目具有示范推廣意義。