山区铁路隧道弃渣利用与施工组织设计优化研究

2023-03-13石天奇SHITianqi

价值工程 2023年6期

石天奇SHI Tian-qi

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

0 引言

截至2022 年底，全国铁路营业里程达15.5 万公里，其中高铁4.2 万公里。随着平原地区路网逐渐形成，铁路建设的主战场将由平原逐渐向山区转移。山区铁路桥隧占比高、砂石需求量较大，受施工组织、施工工艺、建设管理条件等各方面限制，目前山区铁路项目对隧道弃渣的使用率较低。若隧道弃渣无法合理利用，势必增加隧道弃渣量和石料外借量，进而影响山区铁路沿线生态环境，造成资源浪费。因此，开展山区铁路隧道弃渣利用与施工组织设计动态优化研究对解决隧道弃渣使用率低的问题具有十分重要的意义。

Jayawardane[1]等简化施工过程中开挖和填筑的时间因素，基于整数规划建立施工进度和土石方调配联合模型，进一步优化了土石利用情况。Hp.Olbrecht[2-3]等研究发现隧道弃渣在满足规范要求的条件下可以用作高性能混凝土粗骨料。Mohamed Karimi[4]等建立了公路工程模糊线性规划土石方调配模型。曹生荣[5]等考虑了土石方调配与施工进度的时空效应，优化土石方调配线性规划模型。段剑峰[6]参照铁路工程高性能混凝土规范要求，从施工工期、隧道围岩分布情况、弃渣运输距离等多个角度，总结了建设项目隧道弃渣的利用数量以及其对工程投资的影响规律。刘宇[7]等结合宜昌市水土保持现状，通过信息化平台共享土石资源、布局仓储基地科学规划土石资源、建立高标准弃渣场，推动建设项目土石资源供需平衡。黄丙湖[8]等建立了修正蚁群算法计算模型，实现了土石方调配可视化。张仲勇[9]等调整土石开挖、填筑和工程进度等决策变量，进一步优化土石方调配对工程投资产生的影响。张璐[10]采用了玄武岩弃渣用作高速公路混凝土骨料，减缓了项目混凝土骨料供应量不足的问题。黄法礼[11]总结了隧道弃渣资源化利用的研究现状仍处于初级阶段，和建筑材料资源匮乏矛盾。于得水[12]利用隧道弃渣加工形成的机制砂作为试验对象，分析了机制砂应用于C50 混凝土的物理力学性能可行性。周博[13]以经济成本为目标分析了在建沈白高铁隧道弃渣利用适用性。童源[14]研究了岩体应力、围岩岩性等不同地质环境条件下，提出了隧道弃渣环保利用方法。严志伟[15]等以典型段隧道为依托，提出了隧道弃渣多元化利用模式。目前，隧道弃渣利用基本上只是进行了原则性的阐述，辅以理想条件下的施工组织设计，未充分考虑隧道弃渣使用过程中的动态性和施工组织设计的可调整性，得出具有普适性的隧道弃渣利用方案无法满足实际工程需要。因此，本文综合考虑隧道弃渣加工碎石的成品率和经济成本，建立隧道弃渣可利用范围公式模型，分析不同时间下隧道弃渣供应与实际工程中混凝土需求关系变化特征，以便为同类山区铁路建设项目隧道弃渣利用提供理论参考和技术支持。

1 隧道弃渣利用范围研究

山区铁路石料的需求量是弃渣使用量与石料外借量的总和，由于每个项目的弃渣需求量是一定的，当弃渣的使用量越高，则表明发生外借的情况越少，外借量就越低。山区铁路隧道弃渣利用按混凝土粗骨料为先，其中II 级围岩碎石成品率prII为53.8%，III 级围岩碎石成品率prIII为43.4%[16]。在确定工程弃渣利用做混凝土粗骨料前，需了解铁路沿线地质质岩性以及隧道围岩分布情况，合理确定隧道弃渣可利用数量。

1.1 山区铁路主要工程混凝土需求量分析

结合相关设计规范和既有研究成果，统计分析了山岭地区不同设计时速铁路的主要工程混凝土需求量d，见表1。单线山区铁路路基工程混凝土需求量ds1为13.20m3/m，桥梁工程混凝土需求量db1为24.11m3/m，隧道工程混凝土需求量dt1为13.67m3/m。双线山区铁路路基工程混凝土需求量ds2为17.06m3/m，桥梁工程混凝土需求量db2为24.36m3/m，隧道工程混凝土需求量dt2为28.70m3/m。根据统计不同项目主要工程的混凝土需求量结果可知，在实际弃渣调配过程中，应优先供给距弃渣产生工点较近的隧道和桥梁工程，其次考虑路基工程。

表1 山区铁路主要工程混凝土需求量统计表

1.2 混凝土粗骨料体积率

混凝土是铁路施工中必不可少且消耗量巨大的一种工程材料，其主要由普通水泥、碎石、中粗砂、粉煤灰、减水剂、水等材料组成。合格的隧道弃渣加工破碎后可以替代碎石，作为混凝土粗骨料。通过查阅《铁路工程基本定额》（国铁科法[2017]33 号）得到单位等级混凝土中粗骨料（碎石）的占比[17]，如表2 所示。混凝土等级越高，粗骨料所占比重随之降低，粗骨料在混凝土中的占比R 约为74.89%。低等级混凝土主要应用于垫层混凝土、附属混凝土中，主体工程混凝土等级一般较高。

表2 单位体积混凝土粗骨料（碎石）占比统计表

1.3 施工工期

长大隧道的工期较长，一般情况下均为控制工程，长大隧道相邻工点相比该隧道工期较短。隧道弃渣可利用范围主要包括岩性较好的II、III 级围岩，而隧道进出口工区往往围岩等级较差，因此隧道弃渣利用做混凝土粗骨料存在一定的滞后性。根据上述分析得到的围岩碎石成品率pr、主要工程混凝土需求量d 和混凝土粗骨料体积率R，计算各级围岩弃渣理论混凝土提供量C，见表3。

表3 混凝土需求量与隧道弃渣量关系表

通过以上分析得到混凝土需求量与隧道弃渣供应量的动态平衡关系变化规律，见图1。图中混凝土需求曲线与隧道弃渣供应曲线相交部分即为可利用隧道弃渣范围。阶段①：隧道进口工区围岩等级普遍较差，隧道弃渣不能满足利用条件，混凝土粗骨料绝大部分由外购解决；阶段②：部分隧道开挖至II、III 级围岩地段，可以利用隧道弃渣量持续增加，但仍不能满足路、桥、隧各主要工程的混凝土需求量；阶段③：可利用隧道弃渣量达到峰值，根据表3统计结果，在都不考虑多个施工断面的情况下，每开挖单位延米隧道II 级围岩产生的可利用隧道弃渣量略低于单位延米路基、桥梁、隧道同时施工的混凝土用量。因此，在路基、桥梁施工期间隧道开挖所产生弃渣量可以近似认为其全部可以利用（如隧道多断面开挖，产生多余的隧道弃渣可以储存至混凝土拌合站料仓内）；阶段④：路基、桥梁段陆续完工，此时隧道开挖产生弃渣量大于工程施工需求量，仅能利用部分弃渣；阶段⑤：仅剩隧道施工，该阶段中隧道弃渣仅用于本隧道施工，一部分弃渣可以储存至混凝土拌合站料仓，用于隧道出口工区施工，剩余弃渣将运至弃渣场。

图1 混凝土需求量与隧道弃渣供应量的动态平衡关系示意图

因此，路基、桥梁工程在施工期间应尽可能利用隧道弃渣，由于隧道工期普遍较路基、桥梁工期更长，可以在条件允许的情况下尽可能推迟路基、桥梁工程施工起始时间，首先进行隧道施工。在此条件下，假定可利用隧道弃渣量为G，路基、桥梁、隧道同步施工期间混凝土需求量分别为：ds、db、dt，该时间段内开挖隧道II、III 级围岩长度分别为LII、LIII，隧道剩余工程施工期间混凝土需求量为qs，开挖隧道II、III 级围岩长度为lII、lIII，则可以得出可利用隧道弃渣范围G。

2 混凝土需求量峰值分析

整理山区铁路建设项目路基、桥梁和隧道工程里程分部，估算沿线各工点混凝土骨料需求量，利用沿线交通运输条件和运输机械设备，结合实际材料供应计划，梳理对施工工期影响较大的长大重隧道，设置全线混凝土粗骨料运输方案。其中，骨料加工场的碎石供应量应大于沿线各工程混凝土需求量峰值之和。根据现场调研，参考《铁路工程施工组织设计规范》（QC/R9004-20108）中无砟轨道施工进度指标[18]，铁路项目混凝土峰值需求一般出现在路基地基处理、桥梁钻孔桩、承台、墩身、特殊孔跨（部分）及隧道衬砌混凝土同时施工期间。无砟轨道在桥梁下部工程和隧道衬砌工程施工完毕后施工，混凝土需求不会出现峰值，峰值混凝土计算时不考虑。

式中：Qy为骨料加工场碎石供应量，单位m3。

同时，骨料加工实际成本F2应低于外购混凝土骨料成本F1，由于铁路工程隧道施工工艺不断进步，特别位于山岭地区的重点工程，混凝土骨料加工实际成本受当地运输单价K 和骨料加工场与混凝土拌合站运输距离μ 的影响较大。当运输成本高时，工点将不采用来自隧道弃渣的骨料，会引起外借率升高；反之，运输成本低时，外借率也会降低。