砂巖類棄渣在山西榆昔高速公路中的應(yīng)用分析

李慶宏，趙慧靜，申鐵軍，李毓麒

(1.山西路橋集團晉南項目管理有限公司,山西 太原 030006；2.山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000；3.山西路橋建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030600；4.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

1 項目背景和必要性

山西昔陽(晉冀界)至榆次項目采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度 100 km/h,整體式路基寬度26 m,全長125.415 km。一般互通立交4處、樞紐互通式立交2處，服務(wù)區(qū)3處，養(yǎng)護工區(qū)3處，路段管理中心2處，隧道管理站3座，匝道收費站5處，主線超限站1處；閆莊連接線6.85 km,馬坊至松塔連接線21.22 km，總占地113 139畝(1畝≈666.67 m2)，橋隧比例55%。昔榆高速沿線有近1 800萬m3棄渣，無處可用。初步調(diào)研顯示其以砂巖類為主，砂巖屬于沉積巖，可分為鈣質(zhì)、砂質(zhì)、鐵質(zhì)、黏土質(zhì)等幾類，主要特點為強度較低、砂率高、吸水率大、易風(fēng)化崩解，且成分波動性太大、均質(zhì)性差，導(dǎo)致其無法如灰石等硬質(zhì)巖類一樣直接破碎使用，亟待一種合理有效的資源化利用途徑。

2 項目建設(shè)概要

應(yīng)用項目為山西昔陽(晉冀界)至榆次高速公路，昔陽(晉冀界)至榆次(K0+000～K128+114.821)項目采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主要工程量(全線)：路基挖方2 559.8萬m3(其中挖石方1 958.2萬m3),路基填方1 412.8萬m3,橋梁75座/31.251 km(含互通主線橋7座/2.79 km，其中:特大橋6座/7.021 km、大橋67座/24.047 km、中橋2座 /0.183 km)，隧道17座/37.716 km(其中:特長隧道3座/19.915 km、長隧道7座/14.339 km、中隧道2座/1.588 km、短隧道5座/1.875 km),分離立交3座、天橋10座、通道42座、涵洞128道。

3 研究目的與意義

近年來砂石材料緊缺，公路工程建設(shè)成本顯著增高，一定程度上制約了基礎(chǔ)建設(shè)的快速高質(zhì)量發(fā)展，與此同時公路建設(shè)時路基挖方及隧道施工產(chǎn)生大量巖石類棄渣，占用大量田地，將此類棄渣用于制備公路工程集料，既可節(jié)約天然資源，保護生態(tài)環(huán)境，又可降低施工成本，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

4 主要研究內(nèi)容

4.1 關(guān)鍵技術(shù)問題及創(chuàng)新點

1)砂巖類棄渣的穩(wěn)定性評價技術(shù)。部分砂巖具有不穩(wěn)定性，具體體現(xiàn)在耐久性差、易風(fēng)化崩解等。為此，本項目擬 系統(tǒng)研究砂巖類棄渣崩解特性與其礦物成分、巖相成分的關(guān)系，探討不同穩(wěn)定性評價指標(biāo)的適用性，提出一整套科學(xué)高效易操作的砂巖類棄渣穩(wěn)定性評價技術(shù)，甄別可用于制備集料的砂巖類棄渣[1]。

2)砂巖類棄渣集料制備技術(shù)。針對砂巖自身的物理力學(xué)性能，研發(fā)包括破碎類型、破碎工藝、振動篩尺寸選擇、收塵方式選擇等在內(nèi)的一整套砂巖類棄渣集料制備關(guān)鍵技術(shù)[2]。

3)硬質(zhì)砂巖混凝土工作性能的調(diào)控技術(shù)。制備出的高硬度砂巖集料可用于制備混凝土，但是一般的高硬度砂巖都以硅鈣質(zhì)為主，用于混凝土中易導(dǎo)致混凝土工作性變差，因此可采用復(fù)合配砂等方式調(diào)控砂巖混凝土的工作性能[3]。

4.2 采取的技術(shù)路線和實施方案

1)對昔陽至榆次高速項目工程沿線砂巖堆存點進行調(diào)研取樣。分析砂巖類棄渣的微觀結(jié)構(gòu)，測定其力學(xué)性能和耐久性，明確砂巖類棄渣在公路工程中應(yīng)用的技術(shù)可行性。

2)在對砂巖類棄渣分析、研究的基礎(chǔ)上，研究砂巖類棄渣的特性對水泥混凝土和水泥穩(wěn)定基層性能的影響，從而為集料制備提供實驗基礎(chǔ)。

3)研究砂巖類棄渣的破碎工藝，破碎后的集料品質(zhì)、破碎效率、耗能等問題，優(yōu)化出能夠用于路面基層和水泥混凝土中的砂巖類棄渣加工方案，并提出砂巖機制砂質(zhì)量控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。

4)對砂巖類棄渣在路面基層，水泥混凝土中的應(yīng)用進行材料組成設(shè)計與路用性能研究,完成實驗室配合比研究。

5 砂巖類棄渣應(yīng)用實例

對公路保通條件下高陡路塹邊坡拓寬變形演化過程及控穩(wěn)措施進行研究，建立描述高陡邊坡二次開挖擾動的動態(tài)力學(xué)模型，提出保通條件下的變形控制方法。最后從工程特點、施工周期、施工方案、保通情況等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對山區(qū)高速公路保通條件下高陡路塹邊坡施工開挖方式進行對比分析，依據(jù)專家分析法選取最優(yōu)保通施工方案。

1)面對當(dāng)前經(jīng)濟高速發(fā)展引起的交通量不斷提高對改擴建工程需求日益急迫的大趨勢，本項目提出的山區(qū)高速公路保通條件下高陡路塹邊坡安全評價方法、變形控穩(wěn)措施及開挖支護優(yōu)化方案，可為當(dāng)前山區(qū)高速公路保通條件下的改擴建工程路塹高邊坡施工方式提供技術(shù)指導(dǎo)和借鑒，同時還可為相關(guān)保通施工規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的修編提供參考，相關(guān)研究成果對道路保通改擴建工程具有重要意義。

(1)山區(qū)高速公路保通條件下路塹高邊坡拓寬安全評價方法。保通條件下高陡路塹邊坡拓寬安全施工是改擴建工程的最大特點，因此，山區(qū)高速公路保通條件下既有高陡邊坡運營安全評估是本項目擬解決的第一個關(guān)鍵問題。

(2)山區(qū)高速公路保通條件下路塹高邊坡拓寬控穩(wěn)技術(shù)。保通條件下，采用何種變形控制措施避免邊坡在二次開挖過程中發(fā)生失穩(wěn)，為保通條件下高陡路塹邊坡拓寬施工技術(shù)的最關(guān)鍵的問題。包括構(gòu)建山區(qū)高速公路保通條件下路塹高邊坡拓寬安全評價體系；建立山區(qū)高速公路保通條件下路塹高邊坡動態(tài)開挖力學(xué)模型；提出山區(qū)高速公路保通條件下路塹高邊坡拓寬控穩(wěn)措施。

2)首先，運用交通供需均衡理論進行交通需求預(yù)測，獲得項目建設(shè)期間各路段年平均日交通量及高峰小時交通量，結(jié)合項目改擴建施工期間路段服務(wù)水平等級，采用工程調(diào)研和數(shù)學(xué)建模方法，對山區(qū)高速公路保通條件下拓寬工程中高陡路塹邊坡施工過程安全評價方法進行研究，建立山區(qū)高速公路保通條件下高陡路塹邊坡拓寬安全評價體系。其次，通過室內(nèi)模型試驗和數(shù)值分析相結(jié)合的手段，對山區(qū)高速公路保通條件下中高陡路塹邊坡拓寬變形演化過程及控穩(wěn)措施進行研究，建立描述山區(qū)高速公路保通條件下邊坡二次擾動的動態(tài)力學(xué)模型，提出變形控制方法。最后，從工程特點、施工工期、施工方式及通行情況等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對施工方案進行對比分析，提出山區(qū)高速公路保通條件下高陡路塹邊坡拓寬加固方法的優(yōu)化原則和優(yōu)化方法。

(1)山區(qū)髙速公路保通條件下路塹高邊坡拓寬安全評價。分析山區(qū)高速公路保通條件下高陡路塹邊坡施工方式及其對運營安全的影響，識別并明確相關(guān)安全影響因素。通過對既有邊坡穩(wěn)定性分析資料、防護方案資料、地質(zhì)勘察資料及工程地質(zhì)勘察成果的收集，對山區(qū)高速公路保通條件下的高邊坡拓寬施工開挖過程安全性影響因素進行系統(tǒng)分析、評估和排序，確定安全等級，主要包括通行特點、地形地貌、邊坡地質(zhì)條件、氣候環(huán)境、施工工序、排水設(shè)施?；谀：龜?shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，建立山區(qū)高速公路保通條件下高陡路塹邊坡施工過程中的運營安全性預(yù)測模型。

(2)山區(qū)高速公路保通條件下路塹高邊坡開挖控穩(wěn)研究。綜合采用室內(nèi)小比例模型試驗手段和數(shù)值方法，分別建立模型邊坡及其計算模型。

6 砂巖類棄渣施工質(zhì)量控制強化措施

6.1 強化材料管理

對于砂石料類地方材料，在磅房要配備篩分機、稱重儀器，在地磅稱重前，對每車要進行級配、含水量等指標(biāo)初檢，不合格不得進場，做到“不驗收、不進場”。材料進場后，按照有關(guān)規(guī)定進行自檢、抽檢，堅決杜絕不合格材料、構(gòu)配件和設(shè)施設(shè)備用于工程實體。

6.2 強化質(zhì)量巡查管理

建立項目質(zhì)量巡查工作機制，實行質(zhì)量現(xiàn)場巡查和動態(tài)分級監(jiān)管，明確各級管理層領(lǐng)導(dǎo)及管理人員現(xiàn)場巡查頻率、重點、標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，通過對項目質(zhì)量巡查問題、巡查次數(shù)、問題整改閉合及領(lǐng)導(dǎo)帶班情況等數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計、分析與評價，進一步規(guī)范各管理層級質(zhì)量管控行為，推動質(zhì)量管理目標(biāo)在現(xiàn)場落地見效。

6.3 強化質(zhì)量驗收管理

加強施工過程關(guān)鍵部位、關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵工序的質(zhì)量驗收管理，突出隱蔽工程檢查驗收機制，嚴(yán)格執(zhí)行報驗程序和驗收標(biāo)準(zhǔn)，強化按規(guī)定施行“三檢制”的質(zhì)量控制程序，落實“不驗收、不施工，不合格、不施工，誰簽字、誰負(fù)責(zé)”的管控要求，確保施工過程質(zhì)量可控。

7 結(jié)束語

廢渣的綜合利用與資源化問題是世界性環(huán)保難題。大量的廢渣堆存占用土地,污染土壤、水、空氣,腐蝕鋼構(gòu),造成有用成分浪費等。從現(xiàn)階段看，廢渣主要分為砂巖類棄渣與工業(yè)固體廢渣，后者的綜合利用方向主要有生產(chǎn)新型建材與陶瓷,制造凈化水和空氣的吸附材料,制備新型功能材料及回收其中的有價金屬,并對工業(yè)固體廢渣的綜合利用前景進行了展望。大量堆存的工業(yè)固體廢渣既占用土地,又涉及資源、環(huán)境問題。工業(yè)固體廢渣的堿性和所含的重金屬元素會對周邊的土壤、水系等造成危害;工業(yè)固體廢渣中有價元素得不到經(jīng)濟有效的回收利用,又涉及資源浪費問題。工業(yè)固體廢渣綜合利用的門路廣泛,卻又因為工業(yè)固體廢渣存在的差異,在每種方法上都有工藝的區(qū)別，目前很多研究機構(gòu)已經(jīng)深入研究，砂巖類棄渣的利用研究也將進一步開展下去。

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