煤矸石在繞城高速公路建設(shè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

劉歡 LIU Huan

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，石家莊 050000）

0 引言

許昌繞城高速位于河南省許昌長葛市，屬于平原地區(qū)，周邊地勢平坦，且均為基本農(nóng)田，該地區(qū)取土困難，距離鄭州新鄭市取土點約50km，距離禹州市可取土點約45km。同時河南省每年5 月至9 月份為該地區(qū)雨季，持續(xù)時間長、降雨量大，使用土方資源作為填料時，容易造成已填筑路堤積水翻漿、土體軟化，嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度。

但是許昌禹州市煤礦企業(yè)眾多，煤矸石是采煤選煤過程中排放的副產(chǎn)品，按來源可分為掘進(jìn)矸石、洗選矸石和自然矸石三大類，是我國目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一，既污染環(huán)境，又占用土地，據(jù)統(tǒng)計許昌范圍煤矸石庫存約300 萬方，并且每年以100 萬方數(shù)量遞增。

經(jīng)本項目試驗檢測、路基試驗段總結(jié)驗證，煤矸石具有板結(jié)性高、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，同時施工不受雨天影響，路基填筑檢測方法簡單，鑒于此特性，本項目提出使用煤矸石代替土方填筑路堤。

1 煤矸石路堤可行性研究

1.1 結(jié)構(gòu)承載力

煤矸石CBR 值高，一般可以達(dá)到20%～35%，遠(yuǎn)高于高速公路路基施工規(guī)范要求的CBR 最小值8%，同時也高于各類土的CBR 值；壓碎值大，一般可以達(dá)到20%～30%，高于一般同類材料。

1.2 路基強(qiáng)度

煤矸石屬于復(fù)合材料，原料中含有三氧化二鋁、二氧化硅、三氧化二鐵等活性物質(zhì)，具有一定的板結(jié)作用。因此煤矸石路基強(qiáng)度遠(yuǎn)高于土路基，并且具有沉降均勻、彎沉值小的優(yōu)點。

1.3 受自然條件限制

煤矸石填料時具有多孔疏松的結(jié)構(gòu)，在遇到下雨天氣時，雨水能夠及時滲透排除，不影響后續(xù)施工。與填土路基相比受自然條件限制小。

1.4 對環(huán)境影響

許昌繞城高速公路建設(shè)理念是創(chuàng)建“河南省綠色低碳交通試點示范項目”“河南省工建協(xié)綠色建造（施工）示范工程”和“中施企協(xié)綠色建造施工示范工程”，本項目利用煤矸石作為路基填料，變廢為寶，充分利用了有效資源，同時減少了煤矸石對環(huán)境的污染，有利于環(huán)保，符合項目綠色建造理念。設(shè)計煤矸石路基機(jī)構(gòu)如圖1。

圖1 煤矸石路基設(shè)計圖

2 施工工藝

2.1 層厚控制

采用“路基層厚控制刻度尺”進(jìn)行層厚控制，確保每次填筑厚度不超要求，保證了壓實質(zhì)量。

2.2 含水量控制

采用包邊土、封層及盲溝等技術(shù)措施，控制煤矸石層的含水量，防止其塌陷和凍脹。（圖2）

圖2 盲溝大樣圖

圖3 工藝流程圖

2.3 壓實度控制

通過羊角碾和振動壓路機(jī)的配合使用，使得較大粒徑煤矸石充分破碎并重新就位，保證壓實度均勻并能達(dá)到最佳值。

2.4 抗環(huán)境因素控制

路堤邊坡設(shè)置包邊土邊坡、封頂層，以利封水、排水和抵抗自然力對路堤邊坡的風(fēng)化作用。

3 工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

3.2 操作要點

3.2.1 施工前準(zhǔn)備

施工前，對路幅范圍內(nèi)原地面表層腐殖土、表土、草皮等進(jìn)行清理，按要求整平壓實，壓實度不小于90%。

3.2.2 測量放樣

填筑施工前，由測量人員放出線路中線、邊線、加寬線，并定好中樁位置，同時采用50m 鋼卷尺復(fù)核線路寬度。

3.2.3 打格備料

填筑前首先用石灰線打出卸料方格網(wǎng)，結(jié)合運輸車運料的立方數(shù)，確定每個方格大小及所卸料車數(shù)，收料人員按照格線進(jìn)行備料。若填料含水率較低時，采用灑水措施，提前在存料場內(nèi)灑水悶濕或下路堤內(nèi)噴灑；若填料含水率過大時，采用旋耕犁翻松晾曬。

3.2.4 包邊土施工

未經(jīng)充分氧化與陳化的煤矸石用于下路堤填筑時需采取封閉措施。并應(yīng)符合下列規(guī)定：①每填筑2-3m 應(yīng)設(shè)置300mm 厚的細(xì)粒土隔離層，路堤頂面應(yīng)進(jìn)行封閉處理；②應(yīng)采用細(xì)粒土進(jìn)行包邊防護(hù)，包邊土應(yīng)與煤矸石同步施工，寬度宜不小于2m，包邊土底部0.5m 范圍宜采用透水性填料。

3.2.5 攤鋪施工

填筑前首先放出線路中樁和填筑邊線，每10m 釘出邊線木樁，為保證路基邊緣的壓實度，邊線應(yīng)比設(shè)計線每邊寬出50cm，邊線內(nèi)2.5m 范圍內(nèi)獨立網(wǎng)格，填筑路基填土。在場地中灑出方格網(wǎng)，按自卸汽車每車的方量和松鋪厚度，計算方格尺寸，以便現(xiàn)場領(lǐng)工員指揮車輛進(jìn)行按順序傾倒填料，根據(jù)現(xiàn)場地形由低向高分層進(jìn)行填筑。

填料含水率較低時，應(yīng)及時采用灑水措施，灑水采用存料場內(nèi)提前灑水悶濕或路堤內(nèi)噴灑，填料含水率過大時，采用旋耕犁翻松晾曬。

3.2.6 羊角碾碾壓

煤矸石攤鋪完成后，需使用羊角碾進(jìn)行碾壓，碾壓的速度不宜過快，必須符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

填筑施工前，由測量人員放出線路中線、邊線、加寬線，并定好中樁位置，同時采用50m 鋼卷尺復(fù)核線路寬度。

3.2.7 平地機(jī)精平

首先用推土機(jī)初平，再用平地機(jī)精平，填層目視平順。為保證每填層的平整度及層厚的均勻，路基邊、中、邊每隔15m 釘攤鋪層厚樁縱橫掛線，進(jìn)行厚度檢查核實。每一層填筑時均須調(diào)整橫縱坡，以實現(xiàn)路堤頂層2%橫坡及線路設(shè)計縱坡。煤矸石粒徑大于150mm 的進(jìn)行人工清除，禁止出現(xiàn)超粒徑的填料。

3.2.8 機(jī)械碾壓

攤鋪整平，松鋪厚度、平整度符合要求后開始碾壓。根據(jù)本項目93 區(qū)路基試驗段總結(jié)得出，煤矸石松鋪厚度為27cm，碾壓完成后23cm。

壓實順序應(yīng)按先兩側(cè)后中間，先靜壓后再強(qiáng)振的操作程序進(jìn)行碾壓。壓路機(jī)的最大碾壓行駛速度控制在4.0km/h 以內(nèi)。各區(qū)段交接處，應(yīng)互相重疊壓實，縱向搭接長度2m，沿線路縱向行與行之間壓實重疊1.0m，上、下兩層填筑接頭應(yīng)錯開3.0m。以保證無死角、無漏壓，確保碾壓的均勻性。土體范圍與煤矸石銜接處不得重疊碾壓，防止壓實系數(shù)不同引起機(jī)械側(cè)翻事故。（圖4）

圖4 碾壓厚度控制

3.2.9 靜壓收面

煤矸石下路堤強(qiáng)振碾壓作業(yè)完成后，采用壓路機(jī)靜壓收面。靜壓收面前，檢查壓路機(jī)輪胎氣壓是否正常，確保其穩(wěn)定性；調(diào)整振動頻率和振幅，以使壓路機(jī)能適應(yīng)路面的硬度和厚度；靜壓收面時，根據(jù)路面情況，控制壓路機(jī)行進(jìn)速度；根據(jù)路面平整度，控制壓路機(jī)靜壓的壓力；對于平坦路面，采用單向收面；對于局部不平坦路面，采用正反兩個方向交替進(jìn)行靜壓。

3.2.10 沉降差檢測

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及圖紙要求，現(xiàn)場按照規(guī)定進(jìn)行沉降差檢測，要求沉降不大于2mm，并委托駐地辦監(jiān)理負(fù)責(zé)抽檢。

沉降差檢測流程：在煤矸石下路堤檢測面橫向布點，每40m 設(shè)置一個檢測斷面，每個斷面布設(shè)4 個點，同時準(zhǔn)備一塊鋼板（規(guī)格采用10cm*10cm*1cm，長* 寬* 厚）放置在測點上。先用振動壓路機(jī)來回振壓1 遍把鋼板壓入下路堤檢測點位，記錄高程；再次來回振壓1 遍，記錄高程；各測點在振壓前后的高差，即測點的壓實沉降差。（圖5）

圖5 沉降差檢測示意圖

4 主要材料及設(shè)備

4.1 主要材料

煤矸石作為高速公路路堤填料，應(yīng)符合如下要求：

①煤矸石作為路基填料，從強(qiáng)度和承載力考慮，應(yīng)選用貯存時間較長，粒度均勻，便于回填的煤矸石。當(dāng)大塊料過多時，應(yīng)利用機(jī)械加工成小塊，保證級配良好，確保碾壓后的密實度。

②煤矸石是介于土與石之間的一種填料，根據(jù)填石路基規(guī)范要求，路堤填料粒徑小于15cm。

③膨脹性的煤矸石占混合料的比例不得大于50%；石料強(qiáng)度不應(yīng)小于15MPa；嚴(yán)禁使用泥結(jié)煤矸石。

④采用的煤矸石耐崩解性指數(shù)應(yīng)大于60%，硫化鐵含量宜小于3%。

⑤燒失量不超過20%，有機(jī)含量不超過10%，承載比試驗CBR 值大于8%。

⑥包邊土不得使用膨脹土，宜采用塑性指數(shù)大于12以上的粘土。

4.2 主要設(shè)備（表1）

表1 主要材料表

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

本線路兩側(cè)均為基本農(nóng)田，不能取土，最近的土場運距約45km，土資源費10 元/t，運費0.8 元/km·t，本項目所需路堤填筑材料40 萬方，壓實土系數(shù)1.8t/方，計算成本約40*10*1.8+40*45*0.8*1.8=3312 萬元。

使用煤矸石作為填料時，煤矸石無資源費，運距40km，本項目所需路堤填筑材料40 萬方，運費0.8 元/km·t，壓實系數(shù)2.2t/方，計算成本40*0.8*40*2.2=2816 萬元。

通過對比，煤矸石作為填料時共節(jié)約成本3312-2816=496 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 技術(shù)效益

通過使用檢測沉降差控制煤矸石填筑質(zhì)量，沉降差小于2mm，使煤矸石填筑的質(zhì)量得到了有效控制，保證了路基的施工質(zhì)量。

5.3 社會效益

經(jīng)施工驗證，本工法緩解了運土壓力，減少了雨季對施工進(jìn)度的影響，施工功效更高，能夠保證工程的高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)要求，受到了業(yè)主、監(jiān)理單位的一致認(rèn)可和贊揚，對類似路堤填筑施工具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義。

6 結(jié)語

本文從可行性研究到施工器具、施工工藝、產(chǎn)生效益等分析了煤矸石路堤填筑的可行性。目前，該施工方法已應(yīng)用于許昌繞城高速公路XCTJ-3 標(biāo)路基下路堤的施工并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)效益和社會效益，為類似工程提供了具有價值的參考實例和經(jīng)驗。