TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的可行性研究

王婧紅，王利英，王彥武

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM，Tunnel Boring Machine)進(jìn)行挖掘作業(yè)，已成為長(zhǎng)距離、高埋深、穿越特殊環(huán)境要求隧洞的首選開挖方案，在道路、水利、市政等眾多隧洞工程中得到廣泛應(yīng)用。但TBM施工產(chǎn)生的大量洞挖料需占用大面積土地堆放，而且棄料難處理，又易引發(fā)災(zāi)害，這些問題目前尚無較為妥當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法。膠凝砂礫石壩是近幾年發(fā)展創(chuàng)新的一種“宜材適構(gòu)”的新壩型，因其對(duì)筑壩材料強(qiáng)度要求不高，能充分利用當(dāng)?shù)靥烊徊牧?，因而不斷得到壩工界的推崇。將TBM洞挖料直接或盡可能多地用作膠凝砂礫石的骨料是一種值得探索的新思路。目前，針對(duì)TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的可行性研究尚未見相關(guān)報(bào)道。

1 TBM洞挖料

TBM的破巖機(jī)理是擠壓破碎，掘進(jìn)產(chǎn)生的TBM洞挖料由巖粉和大小不同的片狀巖塊組成，經(jīng)過篩分試驗(yàn)，洞挖料骨料最大粒徑為120 mm，最小為0.16 mm，如圖1所示。TBM施工所產(chǎn)生的大量洞挖料經(jīng)運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至洞外后，一般直接或轉(zhuǎn)運(yùn)至指定的棄渣場(chǎng)堆放，待隧洞掘進(jìn)完成后，對(duì)渣場(chǎng)進(jìn)行整治，基本上形成永久的渣堆。

近年來，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，對(duì)于洞挖料的處理及利用已有相關(guān)研究。王紅等[1]通過仿真分析研究了固化道床中道砟的受力特性，欲將隧道洞挖料作為固化道床的骨料，得出采用洞渣生產(chǎn)的道砟能夠滿足軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性的結(jié)論；劉巍[2]將隧道洞挖料進(jìn)行簡(jiǎn)單加工用作路基填料，得出在洞渣摻量80%時(shí)具有良好的施工效果；Tokgoz[3]研究表明TBM廢料可用于蓄水區(qū)水庫(kù)的建設(shè)材料；趙志芳等[4]利用TBM開挖料完成了混凝土配合比試驗(yàn)，得到了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的混凝土；Riviera等[5]探討了將隧道洞渣重新用作建筑材料所帶來的潛在利益；秦立鵬等[6]將洞挖料加工用于混凝土骨料，通過試驗(yàn)檢測(cè)得出結(jié)論，隧道洞渣加工的碎石可以用于實(shí)體混凝土工程施工；陳浩[7]探討了利用隧道洞渣制備碎石的生產(chǎn)工藝。

2 膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景

膠凝砂礫石是利用膠凝材料和砂礫石料，經(jīng)拌和、攤鋪、振動(dòng)碾壓形成的具有一定強(qiáng)度的材料，利用其修建的壩為膠凝砂礫石壩[8]。膠凝砂礫石筑壩(堤)技術(shù)是賈金生、劉寧等[9]于2009年提出的一個(gè)新概念，是一種新型筑壩技術(shù)。膠凝砂礫石壩是介于剛性體壩和散粒體壩之間的一種壩型，具有漫頂不速潰的安全特點(diǎn)。

隨著膠凝砂礫石筑壩理論的形成及關(guān)鍵技術(shù)的不斷解決，該壩型越來越受到壩工界的普遍認(rèn)同和推崇，是我國(guó)“十三五”、“十四五”期間水利部重點(diǎn)推廣的壩型，也是壩工界“宜材適構(gòu)、宜構(gòu)適材”筑壩理念的具體實(shí)踐壩型。該壩型目前已有應(yīng)用，例如，山西大同守口堡水庫(kù)樞紐大壩是國(guó)內(nèi)首座開工建設(shè)的膠凝砂礫石永久工程，也是水利部膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的示范工程。守口堡水庫(kù)大壩壩高61.6 m，壩頂長(zhǎng)354 m，膠凝砂礫石填筑方量45萬m3，于2014年開工建設(shè)。近年來，膠凝砂礫石筑壩技術(shù)在四川順江堰、金雞溝工程，云南瀾滄江大華橋水電站過水圍堰[10]、四川岷江航電犍為樞紐工程防護(hù)堤等都有成功應(yīng)用，國(guó)外突尼斯的梅萊閣壩也使用了膠凝砂礫石筑壩技術(shù)。

3 TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的必要性

3.1 TBM洞挖料在時(shí)間和空間上的利用

20世紀(jì)80年代末、90年代初，我國(guó)引進(jìn)TBM率先在甘肅引大入秦、山西萬家寨引黃工程、蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程中使用。21世紀(jì)以來，TBM隧道掘進(jìn)技術(shù)得到快速發(fā)展，在水利、鐵路、公路、市政等領(lǐng)域的項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。特別是2015年7月由中鐵重工研制的國(guó)產(chǎn)TBM的成功下線并投入使用，開辟了我國(guó)TBM從設(shè)備制造到使用的新道路，TBM項(xiàng)目如雨后春筍般的涌現(xiàn)出來，例如，鄂北調(diào)水、滇中引水、引淖濟(jì)遼、川藏鐵路、南水北調(diào)西線工程等項(xiàng)目。

鑒于跨流域、長(zhǎng)距離引調(diào)水項(xiàng)目中的隧洞工程大多采用了TBM掘進(jìn)方法。一般長(zhǎng)距離引調(diào)水項(xiàng)目為提高供水保證率都會(huì)在引調(diào)水主線路沿線設(shè)置若干調(diào)蓄水庫(kù)，這些水庫(kù)一部分可利用原有水庫(kù)，大部分需要新建水庫(kù)，新建水庫(kù)就需要大量的筑壩材料，這樣就從空間上為TBM洞挖料的利用創(chuàng)造了可能。例如，山西省中部引黃及配套縣域小水網(wǎng)規(guī)劃，沿線要修筑20多座調(diào)蓄水庫(kù)。調(diào)蓄水庫(kù)以小(1)型或小(2)型水庫(kù)為主，水庫(kù)大壩均為中或低壩，填筑方量一般在10萬m3左右。山西省中部引黃工程約600 km的引水線路上設(shè)計(jì)有3個(gè)TBM施工標(biāo)段，產(chǎn)生的洞挖料大約為200多萬m3(松方)。將這些洞挖料盡可能多地用作沿線調(diào)蓄水庫(kù)大壩的筑壩材料是非常必要的。

3.2 環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)

TBM掘進(jìn)產(chǎn)生的大量洞挖料到目前為止仍以丟棄為主，棄渣一般選擇在離洞口1～3 km范圍內(nèi)的棄渣場(chǎng)堆棄。棄渣不僅占用大量耕地、林地，同時(shí)還存在垮塌滑坡、泥石流等安全隱患，進(jìn)而造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失，因此洞挖料的合理處置也是工程建設(shè)的一大難題。雖然目前有一些工程項(xiàng)目將洞挖料進(jìn)行了簡(jiǎn)單的加工利用，但利用率很低，且對(duì)洞挖料利用并沒有系統(tǒng)的研究和規(guī)范，因此洞挖料普遍仍采用棄渣場(chǎng)堆棄的方式處理。

如果將大量洞挖料重新利用到工程建設(shè)中，使其變廢為寶，既保護(hù)了環(huán)境，修復(fù)了生態(tài)，又能消除安全隱患，可取得良好的環(huán)境效益。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

TBM洞挖料的堆放不僅占用土地，而且堆棄的渣場(chǎng)還要投入大量資金進(jìn)行渣場(chǎng)治理，從而增加了建設(shè)投資。以山西中部引黃工程TBM2標(biāo)為例，該工程采用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)，隧洞開挖直徑5.06 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度20 328 m，每米巖石自然方20.10 m3，換算成松方約35.18 m3?？倵壴?0 328×35.18=715 139 m3，棄渣場(chǎng)征用的土地6.14 hm2。而關(guān)于土地征收補(bǔ)償費(fèi)用中的要求為：耕地補(bǔ)償為被征收前3年平均年產(chǎn)值的6～10倍；每一個(gè)需要安置的農(nóng)業(yè)人口的安置補(bǔ)助費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，為該耕地被征收前3年平均年產(chǎn)值的4～6倍；以及土地征收的地上附著物和青苗的補(bǔ)償費(fèi)等。因此，占用土地堆放洞渣的投入成本是較高的。

如果將隧洞開挖洞挖料就近用于調(diào)蓄水庫(kù)等新建工程，與重新開采砂石料筑壩材料相比，可大大節(jié)約施工成本，從而提高工程本身的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 社會(huì)效益

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)保護(hù)要求的不斷加強(qiáng)以及對(duì)綠色施工的倡導(dǎo)，砂、石骨料等原材料資源日趨枯竭，形勢(shì)日益緊張。導(dǎo)致建筑行業(yè)原材料貨源愈發(fā)緊張，砂、石料價(jià)格普遍上漲，而且會(huì)愈演愈烈，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致建筑行業(yè)供需失去平衡，最終影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

如果能通過研究，將大量洞挖料作為一種建筑材料重新用于工程領(lǐng)域，則可以緩解原材料資源日趨緊張的局面，為建筑行業(yè)乃至經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展穩(wěn)定保駕護(hù)航，貢獻(xiàn)力量。

3.5 施工新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

膠凝砂礫石作為近年來較為熱門的筑壩新型材料，其倡導(dǎo)的“宜材適構(gòu)”的筑壩理念，為后續(xù)工程原材的來源打開了思路。膠凝砂礫石骨料來源于當(dāng)?shù)氐暮哟擦匣蛘咂渌拈_挖料，原材來源廣泛，且不需篩分水洗，利用流程簡(jiǎn)單[9]。TBM洞挖料來源于壩址當(dāng)?shù)亻_鑿導(dǎo)流洞或隧洞等產(chǎn)生的廢渣，原料來源地近且數(shù)量龐大，并且具有一定的強(qiáng)度。如果能將TBM洞挖料盡可能多地用作膠凝砂礫石的骨料，可進(jìn)一步推動(dòng)膠凝砂礫石筑壩技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，這在水利工程施工新技術(shù)發(fā)展中具有非常重要的意義。

4 TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的可行性

4.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)原材料

SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[8]中關(guān)于原材料顆粒料的要求規(guī)定，砂礫石表觀密度應(yīng)不小于2 450 kg/m3；最大粒徑不超過150 mm；砂礫石中含泥量不宜超過5%，泥塊含量不宜超過0.5%，并避免泥塊集中；砂礫石中粒徑小于5 mm的砂料含量宜在18%～35%，粗骨料中粒徑為5～40 mm的含量宜為35%～65%。

取有代表性的洞挖料進(jìn)行品質(zhì)檢驗(yàn)，原材料取自山西臨縣，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，洞挖料各項(xiàng)指標(biāo)滿足《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》相關(guān)要求。經(jīng)過篩分試驗(yàn)，TBM洞挖料粒徑小于5 mm的砂料含量最小為19.5%，靠近要求“宜在18%～35%”的下限，可考慮外摻一定量細(xì)顆粒料增加細(xì)粒含量以改善洞挖料的顆粒級(jí)配。

表1 洞挖料品質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)洞挖料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果如表2所示。

表2 直接利用洞挖料篩分結(jié)果

對(duì)外摻8%細(xì)顆粒料后的洞挖料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果如表3所示。

表3 摻8%細(xì)顆粒料洞挖料篩分結(jié)果

對(duì)外摻的5 mm以下細(xì)顆粒料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果如表4所示。

表4 外摻細(xì)顆粒料篩分結(jié)果

4.1.2 試驗(yàn)方案

基于膠凝砂礫石材料的品質(zhì)要求，TBM洞挖料的利用從以下2個(gè)方面進(jìn)行：一是直接利用；二是摻入少量細(xì)顆粒料利用。

試驗(yàn)分為直接利用洞挖料和摻入8%細(xì)顆粒料的洞挖料2大組，每組設(shè)計(jì)4種膠材配比。其中，第1種為山西大同守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石大壩壩體采用的膠材配比，其余3種膠材配比的設(shè)想思路為驗(yàn)證利用更少的膠凝材料而使材料達(dá)到期望的抗壓強(qiáng)度值，因此其余3種的膠材用量與前一種相比較則相應(yīng)減少，具體配合比見表5。

表5 單位體積膠凝砂礫石試件材料用量 kg

4.1.3 試驗(yàn)過程

制作膠凝砂礫石試件，每種配合比制備6個(gè)全級(jí)配邊長(zhǎng)為450 mm立方體大試件，同條件養(yǎng)護(hù)180 d。試件分4～5層制備，每層用平板振搗器振動(dòng)壓實(shí)。由于配合比編號(hào)4、8中膠結(jié)材料用量較少，試件膠結(jié)差，難以成型，因此實(shí)際試驗(yàn)為3種膠材配合比試件，如圖2所示。試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)采用長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的YAW-5000微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力5 000 kN。

圖2 拆模后的試件

膠凝砂礫石配制強(qiáng)度[8]為

fcu，o=fcu，k+tσ[8]

(1)

式中，fcu，o為膠凝砂礫石的配制強(qiáng)度，MPa；fcu，k為膠凝砂礫石設(shè)計(jì)齡期的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)，依據(jù)保證率P選定，本試驗(yàn)P取80%，其值相應(yīng)為0.842；σ為膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。本試驗(yàn)?zāi)z凝砂礫石設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C6，σ相應(yīng)為2.4 MPa。

4.1.4 試驗(yàn)分析

全級(jí)配大試件抗壓強(qiáng)度見表6。由表6可知，隨著水膠比的減小，試件的抗壓強(qiáng)度也逐漸減小，水泥用量顯著的影響著試件的強(qiáng)度。直接利用洞挖料的試件抗壓強(qiáng)度最大值9.4 MPa、最小值5.6 MPa、平均值7.0 MPa。根據(jù)導(dǎo)則要求，抗壓強(qiáng)度最小值大于或等于0.75倍的強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)為合格品[8]，試件最小抗壓強(qiáng)度為5.6 MPa，大于0.75×6.0 MPa=4.5 MPa，說明滿足導(dǎo)則要求，也滿足預(yù)期的C6強(qiáng)度等級(jí)，這表明用TBM洞挖料直接作為膠凝砂礫石骨料是可以達(dá)到膠凝砂礫石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的。外摻8%細(xì)顆粒料的洞挖料試件強(qiáng)度普遍高于直接利用洞挖料試件的強(qiáng)度，這是由于摻砂后砂填補(bǔ)了骨料周圍的空隙，完善了級(jí)配，因此強(qiáng)度增高。摻砂后的試件強(qiáng)度也符合預(yù)期設(shè)定要求。

表6 不同配合比下試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果 MPa

4.2 對(duì)比試驗(yàn)

因本試驗(yàn)?zāi)z材配比設(shè)計(jì)思路來源于山西大同守口堡水庫(kù)的壩體膠材配比，為了更好的分析TBM洞挖料用于膠凝砂礫石的可行性，與山西大同守口堡水庫(kù)2014年9月至2015年5月進(jìn)行的科研生產(chǎn)性試驗(yàn)大試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]進(jìn)行對(duì)比。在守口堡水庫(kù)進(jìn)行的科研試驗(yàn)中，膠凝砂礫石大試件同為邊長(zhǎng)450 mm立方體試件，膠材用量采用水泥50 kg/m3、粉煤灰40 kg/m3。試驗(yàn)用砂礫石為剔除150 mm以上顆粒后的壩址上游河床開挖料及部分外摻石，共制作15個(gè)膠凝砂礫石試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。表7為大同守口堡水庫(kù)大試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果。

表7 大同守口堡水庫(kù)膠凝砂礫石試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果

將表6、7中的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖3所示。由圖3可知，摻8%細(xì)顆粒料的洞挖料強(qiáng)度的整體趨勢(shì)大于直接利用洞挖料的強(qiáng)度，且隨著膠材用量的變化，抗壓強(qiáng)度隨之減小。直接利用與摻8%細(xì)顆粒料利用的抗壓強(qiáng)度結(jié)果總體都大于大同守口堡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，而其中由洞挖料作為骨料的試件抗壓強(qiáng)度低于守口堡試驗(yàn)，此時(shí)膠材用量中水泥用量為30 kg/m3，低于守口堡水庫(kù)50 kg/m3的水泥用量，但抗壓強(qiáng)度依然大于4.5 MPa。所以說明，TBM洞挖料用作膠凝砂礫石骨料在滿足正常膠材用量條件下其強(qiáng)度是可以達(dá)到要求的。

圖3 不同配合比下試件抗壓強(qiáng)度

5 結(jié) 論

通過試驗(yàn)可知，直接利用TBM洞挖料的試件抗壓強(qiáng)度能滿足導(dǎo)則要求，也滿足預(yù)期的C6強(qiáng)度等級(jí)；外摻8%細(xì)顆粒料的試件強(qiáng)度普遍高于直接利用洞挖料試件的強(qiáng)度，摻砂后的試件強(qiáng)度也符合預(yù)期設(shè)定要求，因此用TBM洞挖料直接作為膠凝砂礫石骨料是可以達(dá)到膠凝砂礫石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

通過與山西大同守口堡水庫(kù)的壩體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比可知，直接利用TBM洞挖料與摻8%細(xì)顆粒料，其抗壓強(qiáng)度總體都大于大同守口堡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，在強(qiáng)度低于守口堡試驗(yàn)的情況下，水泥用量少于守口堡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)水泥用量。所以，TBM洞挖料用作膠凝砂礫石骨料在滿足正常膠材用量條件下其強(qiáng)度是可以達(dá)到要求的。

因此，TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料是可行的，這種廢渣利用思路和方法值得推薦和深入研究。