隧道洞渣在建筑材料中的資源化綜合利用研究進展

袁政成，黃法禮，王 振，溫家馨，易忠來，李化建，謝永江，袁靜怡，李洪福

(中國鐵道科學研究院集團有限公司，鐵道建筑研究所，北京 100081)

0 引 言

目前，我國交通工程建設正向中西部轉移，受地形條件的影響，隧道占比一般會超過80%[1]。隧道洞渣是隧道開挖過程中的必然產物，眾多隧道工程建設勢必會產生大量洞渣，如何資源化利用這些洞渣成為科研和工程中普遍關心的問題。

隧道洞渣是一種可利用的資源，這是國內外公認的觀點。吳志俊等[2]在忻州至阜平高速公路中，針對全線開挖總量達244.2萬立方米的洞渣，其中有162.4萬立方米洞渣被利用，利用率達66.5%。張蔚博等[3]在鶴大高速公路科技示范工程中，綜合利用洞渣接近60萬立方米，利用率高達100%。Bellopede等[4]明確表示，通過合適的管理方式和處理方法，隧道洞渣的應用范圍將十分廣泛，會帶來顯著的環境效益和經濟效益。隧道洞渣雖然可以作為一種資源解決建筑材料短缺的難題[5-7]，然而對于不同的隧道圍巖施工，隧道洞渣種類繁多是造成其無法廣泛推廣應用的主要原因，因地制宜利用隧道洞渣是實現洞渣取之于隧道用之于隧道的關鍵。本文針對隧道洞渣的特點，從隧道洞渣的分類方法、快速評價技術和資源化綜合利用現狀等三個方面進行介紹。

1 隧道洞渣的特點

了解隧道洞渣的特點是實現其資源化綜合利用的前提，隧道洞渣的特點概括起來主要有性能波動大、分布分散、產量受制于施工進度、危害大、處理費用高和清潔度低等。

1.1 性能波動大

與專門經過地質勘察選取的母巖礦山不同，性能波動大是隧道洞渣作為母材的典型特征之一。母巖礦山選擇性強，可以根據石質情況變化隨時改變堂口挖深和走向，從而保證母材質量穩定性。對于隧道洞渣來說，隧道在開挖的過程中只能沿設計線路被動前進，甚至連開挖截面尺寸都不得隨意改變，所以隨著開挖深度的不同，隧道圍巖級別、巖性、抗壓強度、風化程度和化學性能等都會發生一定程度的變化。此外，隧道棄渣場的洞渣一般來自不同隧道，進一步加大了隧道洞渣品質的差異性和復雜性。鄧濤[8]發現同一隧道不同部位的洞渣性能存在顯著差異，其中抗壓強度最大變化幅度達到70 MPa。Voit等[9]同樣發現洞渣抗壓強度離散性較強，其中板巖的抗壓強度波動值達到100 MPa以上，主要是巖石的層理造成的。因此，隧道洞渣在作為建筑材料資源化綜合利用之前，有必要對洞渣性能開展進一步的研究。

1.2 分布分散

在公路、鐵路交通工程中，隧道洞渣沿隧道走向分布，棄渣處置點分散[1]，影響區域較大。據相關工程[5-6,10-11]估算，每公里隧道可產生洞渣量約為13～19 m3，單個隧道產生洞渣量約為50～100 m3，這相當于將母巖礦山料源分散至數十個不同區域。同時隧道占比越大，隧道越短，則分散性越強，越不利于洞渣質量控制。

1.3 產量受制于施工進度

隧道施工進度一般比較緩慢，正常施工條件下，隧道每天開挖長度約為3～5 m，洞渣產量嚴重受限。此外，隧道開挖過程中不免會遇到涌水、圍巖完整性差和裂隙發育等情況[12-14]，這些因素將會進一步延緩施工進度。

1.4 危害大

隧道洞渣數量巨大，若不按相關要求進行合理處置，勢必會造成嚴重的危害[15-16]。(1)改變原有地表環境。隧道洞渣堆放于指定棄渣場會占用大量閑置土地，使得原有土地喪失耕種和種植功能，進而降低土壤抗侵蝕能力，造成水土流失，嚴重影響了生態系統平衡。(2)引發次生地質災害。棄渣場一般位于地勢較低的山洼和溝谷之中，而洞渣堆放高度最高可達數十米，且一般不經過碾壓處理，在雨季可能形成泥石流，誘發滑坡等地質災害。(3)危及周邊和下游環境。棄渣場破壞了河道原有結構，對下游地區人民群眾的生命、財產帶來了嚴重威脅。(4)含有放射性和重金屬元素。我國地質結構復雜，開挖的隧道洞渣可能存在放射性元素和重金屬元素。

1.5 處理費用高

隧道洞渣的處理費用極高，可達數千萬元以上[8]，主要包括租用土地、運輸和處置維護等。隧道洞渣處理需要占用大量土地，土地占用量約為幾萬至幾十萬平方米不等，且大部分土地為永久占用。此外，隧道洞渣的運輸分為洞內運輸和洞口至棄渣場運輸，若洞口至棄渣場運輸距離較遠，將會大幅度增加運輸成本。處置維護主要從環保和安全方面考慮，經綠化和壓實處理的棄渣場需要大量的費用。

1.6 清潔度低

隧道洞渣在開挖和搬運過程中易夾雜泥土和被石粉包裹，因此洞渣的利用需采取適當的除雜、除土和沖洗措施。

2 隧道洞渣的分類

性能波動大是造成隧道洞渣利用難的關鍵因素之一，合理的分類方法對隧道洞渣的資源化利用具有重要的意義[17]。然而目前對于隧道洞渣的分類尚未有統一的標準和方法。本文提出了基于開挖方式和隧道圍巖級別的隧道洞渣分類方法。

2.1 開挖方式

圖1 不同開挖方式的隧道洞渣粒徑分布情況(a)TBM法開挖;(b)鉆爆法開挖[19]Fig.1 Grain size distributions for different excavation techniques(a)TBM excavation; (b)drill and blast excavation[19]

隧道洞渣按開挖方式主要分為鉆爆料和隧道掘進機(TBM)料。不同開挖方式產生的隧道洞渣在尺寸、形狀和清潔度方面均有較大差異[18]。Bellopede等[19]給出了TBM和鉆爆法開挖產生的隧道洞渣粒徑分布情況，如圖1所示?？梢钥闯?，TBM料的最大粒徑小于100 mm，主要由砂石顆粒組成；鉆爆料粒徑介于10～1 000 mm，主要以塊石為主。Gong等[20]針對TBM法，開展了不同切割深度和推力對洞渣尺寸的影響研究，結果表明較深的切割深度和更大推力下，洞渣平均尺寸均明顯增大。除了TBM本身參數影響，Shams等[21]指出巖石完整性和可鉆性同樣會顯著影響洞渣的顆粒尺寸。此外，由于TBM是通過刀盤的推力進行掘進，故其開挖的洞渣針片狀顆粒含量較高。在清潔度方面，TBM料混有泥土比例較大，而鉆爆料相對潔凈。綜上所述，可知TBM料雖然顆粒尺寸更適合直接用作混凝土骨料，但由于其尺寸小、顆粒形狀較差、潔凈度低，因此多將其用作機制砂的生產，而鉆爆法產生的洞渣經過篩分除土、沖洗后，可用作機制砂石骨料的聯產制備。

2.2 圍巖級別

圍巖級別劃分可以實現對某一隧道不同區段洞渣品質進行定性認識，實現隧道由“線”到“段”的進一步了解。隧道洞渣按圍巖級別可以分為六類[22]，圍巖級別越小，意味著開挖的隧道洞渣品質越好，越有利于其建筑材料的資源化利用，但是使用圍巖級別判斷洞渣品質并不十分準確，有時需要結合洞渣的巖性加以輔助分析。例如Ⅳ/Ⅴ級圍巖的玄武巖滿足作為砂石料料源的標準要求，而圍巖等級較低的頁巖、泥巖、泥質灰巖不宜用作原料生產砂石料[1,23-26]。

3 隧道洞渣力學性能快速評價技術

隧道現場施工時，洞渣分類不及時將造成棄渣場堆放混亂，影響洞渣正常使用。根據隧道洞渣的開挖方式和圍巖級別分類，有助于實現母材質量的源頭控制，然而，這種分類方法精細化程度不足，無法完全保障洞渣品質，因此亟需提出隧道洞渣性能快速評價技術。常規的巖石物理化學性能和耐久性能檢測一般耗時較大，不適合作為洞渣性能的現場評價指標，而巖石力學性能的快速評價技術相對比較成熟。

隧道洞渣的力學性能是評定其能否作為建筑材料應用的基礎，也是確定洞渣如何應用的重要參數之一。國標《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)[27]提出在水飽和狀態下，其抗壓強度火成巖應不小于80 MPa，變質巖應不小于60 MPa，水成巖應不小于30 MPa。鐵路行業標準《鐵路混凝土》(TB-T 3275—2018)[28]、《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》(TB 10424—2018)[29]和鐵路企業標準《鐵路機制砂場建設技術規程》(報批稿2020)[30]均規定巖石抗壓強度大于或等于1.5倍混凝土抗壓強度等級，中國工程建設標準化協會標準《公路機制砂高性能混凝土技術規程》(T/CECS G：K50-30—2018)[31]指出C60及以上強度等級混凝土的母巖抗壓強度宜大于1.5倍混凝土設計強度。隧道洞渣按抗壓強度分類是其實現資源化利用的必要條件。鄧濤[8]根據隧道洞渣的飽水抗壓強度將洞渣分為三個品質：當洞渣飽水抗壓強度大于等于60 MPa時為Ⅰ類高品質洞渣，當洞渣飽水抗壓強度在30～60 MPa之間時為Ⅱ類品質較低的洞渣，當洞渣飽水抗壓強度小于30 MPa時為Ⅲ類低強度的洞渣。張華永[10]針對岳武高速公路工程隧道洞渣工程應用需求，同樣選擇巖石飽水抗壓強度作為該工程的洞渣評定的指標。

目前針對巖石力學性能提出了幾種適合現場的快速評價方法，主要為回彈值指標法、聲波檢測法和點荷載法，下面將對各種快速評價方法的應用現狀進行介紹。

3.1 回彈值指標法

在國內，回彈值指標法在混凝土方面的研究比較成熟[32-34]，然而其在巖石力學性能方面的研究相對較少。楊澤君[35]提出不平整巖石表面的回彈值數據不穩定，通過優化回彈儀彈擊桿端面曲率和使用合理的測試程序，獲得了巖石回彈值與巖石單軸抗壓強度較好的擬合關系。王睿等[36]指出傳統的機械式回彈儀表征巖石回彈值誤差較大，使用新型能量式回彈儀可以更加準確快速地獲得巖石的回彈值。國外學者很早就開展了相關研究，并提出了巖石回彈值與巖石單軸抗壓強度的函數關系式，如表1所示[37-42]?？梢钥闯鰩r石回彈值和巖石單軸抗壓強度具有較好的相關性，然而回彈值指標法不能直接用于檢測內部有明顯差異或缺陷的物體[43]。

表1 巖石回彈值和巖石強度的研究[37-42]Table 1 Study on rock resilience and strength[37-42]

3.2 聲波檢測法

聲波檢測法是通過檢測超聲波在巖體中的聲學參數變化，間接地反映巖石的物理力學特性及內部結構特征[44]。韋欣等[44]利用聲波測井技術獲得的動態巖石彈性力學參數對巖石強度特性進行研究，將實驗室測試結果與聲波測井所得到的力學參數之間的關系進行回歸分析，得出利用聲波測井資料預測巖石抗壓強度是可行的。衛增杰[45]提出基于聲波時差的指數型經驗模型預測巖石單軸抗壓強度，經過校正后，預測誤差在15%內。然而單純使用聲波檢測法來預測巖石的抗壓強度，有時會因巖體的顆粒特征、內部裂隙和巖體含水狀態等因素帶來較大的誤差[43]。

3.3 點荷載法

點荷載試驗是一種快速、輕便、經濟的測試手段，可用來預估巖石單軸抗壓強度，試件可直接選用鉆探巖心或現場不規則的巖塊，該方法適用于野外巖體勘測[35]。劉泉聲等[46]從吉林引松供水工程 TBM 產生的洞渣中挑選塊狀試樣進行點荷載試驗，同時在產生洞渣的相應位置獲取芯樣點荷載強度和單軸抗壓強度，結果表明，TBM開挖方式獲取的洞渣與母巖相比存在一定的損傷，研究結果為 TBM 隧道現場快速獲取洞渣強度參數提供了方法和依據。李安平[47]基于貴州紫金水銀洞金礦巖石點荷載試驗和單軸抗壓強度試驗結果，對二者進行多種擬合分析，得到了單軸抗壓強度和點荷載強度的最佳關系式。

采用單一的快速評價方法雖然可預測巖石的單軸抗壓強度，但一般均存在較大誤差，多種快速評價方法聯合使用可以顯著提高預測結果的準確性[36,48-51]。同時考慮到隧道開挖方式對洞渣尺寸影響較大，回彈值指標法和聲波檢測法一般適用于鉆爆法產生洞渣的快速評定，而點荷載法更適用于TBM掘進產生洞渣的測試。

4 隧道洞渣建筑材料資源化綜合利用現狀

隧道洞渣總體規劃原則包括減量化、無害化和資源化。減量化是指通過合理的設計方法減少和減小隧道洞渣的出渣量，具體包括圍繞隧道線位、斷面及輔助坑道數量等優化實現出渣源頭減量化。無害化是指對于含有放射性、重金屬和易燃的洞渣，要優先進行分離，并采取相應的科學規范處置技術。資源化是指采取適當的工藝和技術將隧道洞渣利用起來。隧道洞渣建筑材料資源化綜合利用如圖2所示，其中本文對隧道洞渣資源化綜合利用做了重點介紹。由圖2可以看出，隧道洞渣使用前必須進行嚴格分類，對于硬質石塊洞渣需使用快速評價方法進一步分類，最終實現不同類型洞渣的資源化綜合利用。從目前國內外資源化利用情況來看，主要有以下幾個方面：一是作為填料回填路基、取土場和低洼坑地等場地；二是作為機制砂石骨料配制不同類型混凝土，以滿足施工現場需求；三是作為鐵路道砟或公路路面級配碎石；四是用作造地、生態砌塊和景觀建設等其他方面。

圖2 隧道洞渣建筑材料資源化綜合利用[2,4,8,10,15,52-53]Fig.2 Resources comprehensive utilization of tunnel muck in building materials[2,4,8,10,15,52-53]

4.1 路基填料

隧道洞渣中含有大量的堅石、次堅石、石渣等優良的路基填筑材料[15]，經簡單的篩選便可用于拋石擠淤、石方路基施工和臺背回填，不但可以改善路基填料的質量，而且能夠使隧道洞渣變廢為寶。我國大部分地區處于多雨地帶，雨季相對較長，造成了部分路基填料天然含水率較高，即使對其進行反復翻曬，仍會因超出土壤的最佳含水量而無法保證填筑施工的效果，而用洞渣作為填筑材料就可以良好地解決這一問題。例如潮惠高速TJ16標地段借助物理改良方案，通過控制洞渣最大粒徑、洞渣強度與壓實層厚度的關系以及不同巖性洞渣填筑方式，將蓮花山1#隧道洞渣作為路基填料，結果表明使用隧道洞渣填筑的路基性能更加優異[54]。貴州省六盤水至盤縣高速公路[55]、杭瑞高速公路和滬昆高速公路、廈蓉高速公路[56]等工程按洞渣與土層以50%～80%的比例進行摻配，同時對填筑時所用洞渣進行多次試驗與檢測，試驗得出較高洞渣摻量的路基碾壓后回彈值明顯，證明了高速公路隧道洞渣物理改良路基施工技術能夠在保證路基填筑質量的同時，獲得較高的施工效率和經濟效益。

4.2 制備機制砂石骨料

圖3 TBM掘進、巖石選擇、骨料質量評估和混凝土生產一體化設備[60]Fig.3 Integration equipment of TBM tunneling, rock selection, aggregate quality assessment and concrete production[60]

國外使用隧道洞渣制備機制砂石骨料的國家主要集中在歐洲。其中意大利是世界上隧道數量最多的國家，而瑞士是自然砂石骨料比較缺乏的國家。Bellopede等[4]提出TBM洞渣不適合制備機制砂石骨料，認為用作制備機制砂石骨料的隧道洞渣應避免含有大量的脆性礦物、過度堅硬的礦物及片狀和纖維狀礦物，同時注意低耐蝕性、高溶解度和堿活性物質對混凝土性能造成的負面影響。對于骨料堿活性，Bellopede等[19]首先從巖石礦物組成出發，分析其在混凝土中是否會發生潛在堿骨料反應。此外，Bellopede等[57]對比了經過處理和未處理隧道洞渣的堿骨料反應活性，結果表明經過處理后的洞渣砂漿棒膨脹的更大，并且抗彎強度更低。Olbrecht等[58]同樣對TBM產生的隧道洞渣是否可以作為混凝土骨料開展了系統研究，試驗通過對5個不同地區黑云母片麻巖、白云母片麻巖、鈣質頁巖和硅質石灰石進行分析，同時與當地使用的礫石進行比較，結果表明除了鈣質頁巖，其余未經處理的TBM洞渣可以作為混凝土用骨料，當經過工藝改進處理后，隧道洞渣完全可以取代礫石，但無法很好地因地制宜利用洞渣制備高性能混凝土。Fukui等[59]得出TBM隧道洞渣顆粒級配和粒型均較差，需要經過一定的破碎整形和篩分等工藝加以改進。同時經過水沖洗的洞渣骨料，其混凝土抗壓強度可以提高20%以上，其主要原因為去除了附著在骨料表面的細粉顆粒[9]。Petitat等[60]同時考慮母巖性能、骨料品質和混凝土配制技術，提出TBM在線分析和處理系統，可以實現隧道掘進、巖石選擇、骨料質量評估和混凝土生產一體化，如圖3所示?？梢钥闯?，巖石的強度將由安裝在TBM刀盤上的圓盤刀具載荷監測系統來確定，骨料的顆粒尺寸和級配等將使用最新的在線技術進行評估，機制砂的云母含量將被自動檢測和量化，最終實現噴射混凝土、混凝土和砂漿的生產。

國內對于隧道洞渣制備機制砂石骨料研究起步較晚，主要集中在廣東、湖南、江浙、福建及貴州等地[61]。在生產工藝及設備選型方面，張琨健[62]以隧道洞渣加工生產機制砂為例，圍繞設備選型、生產工藝優化、成品性能指標和環境保護幾個方面，制備出性能優異的成品砂。陳浩[63]從隧道洞渣分類選取、砂石場生產設備選型和生產過程控制著手，同樣制備出了滿足相關標準的機制砂石骨料。在工程案例應用方面，西成客運專線建設項目以Ⅱ、Ⅲ級圍巖洞渣為主，剔除泥巖、風化巖和吸水率高的板巖后，篩選出母巖抗壓強度≥60 MPa以上的洞渣，生產出細度模數適中的機制砂，并制備出滿足性能要求的C35強度等級及以下的混凝土[64]。鄧濤[8]通過深入研究隧道洞渣的破碎工藝和質量控制措施，將隧道洞渣成功應用于福建省福永高速工程中。陳書平等[65]基于湖南省馬安高速公路隧道的TBM料，優選整體性好、性能滿足要求洞渣用于加工機制砂，將破碎帶、含泥地層、軟弱地層以及富水區段開挖的洞渣直接作為路基填料。將優選后的洞渣通過三級破碎，同樣生產出符合混凝土要求的機制砂，經配制的C40混凝土28 d標養下的抗壓強度達到50.5 MPa。

隧道洞渣用于制備砂石骨料時，由于隧道洞渣母巖波動較大，嚴重影響隧道洞渣的利用率。因此應加強隧道洞渣檢驗頻率，當圍巖等級發生變化或目測巖性發生變化時，至少需進行一次堿活性、堅固性、母巖強度、吸水率和有害物質等試驗。

4.3 鐵路道砟或路面級配碎石

鐵路有砟軌道道床采用大量道砟，但我國鐵路明確規定洞渣加工成的道砟不得在客運專線正線上使用。王紅等[66]基于仿真分析發現，道砟材質對固化道床的性能影響較小，因此可以在洞渣的分級選用控制標準的基礎上，將洞渣道砟作為固化道床的骨料使用。肖杰靈等[67]對比了隧道洞渣與鐵路道砟在粒徑級配、巖石強度等基本參數上的異同，結合相關鐵路沿線工程地質特征，分析了隧道洞渣應用于有砟道床的可行性，并提出了相關處理建議。結果表明，隧道洞渣滿足道砟粒徑范圍和材質強度等基本物理特性條件，理論上鐵路工程的隧道洞渣可作為有砟道床材料，在此基礎上提出了隧道洞渣再加工處理原則，可為相關鐵路工程隧道洞渣在有砟軌道道床上的綠色應用提供借鑒。公路上要用到碎石的地方同樣很多，從底基層到面層，每一層路面結構都要用到碎石，碎石消耗量從幾萬立方米到上百萬立方米不等。對于隧道圍巖級別較好，抗壓強度較高的洞渣，可設置專門的碎石加工場，通過篩分、清洗，按照路面對碎石級配的具體要求，破碎加工成不同規格的碎石[68]。

4.4 造 地

隧道洞渣可用于地方造地工程，如用于建樓房、廣場、公園、牧場、營地等[15]。不同功能的場地標準各異，填筑較高的場地要求邊坡穩定，建筑地基要求沉降控制在容許的范圍內，公園場地表層應有土壤覆蓋等。在青藏高原有鐵路隧道利用洞渣造地的案例，如成蘭鐵路[69]、拉林鐵路等。成蘭鐵路位于青藏高原東部邊緣，沿線高山峽谷區，大面積平地十分短缺，用隧道洞渣進行了應急避難場所、武警訓練營地等造地項目。拉林鐵路充分利用隧道洞渣建立牧場，為當地牧民放養牲畜提供草場，牧民能夠在上面覆蓋土壤種植牧草。

5 結論與建議

5.1 結 論

(1)隧道洞渣是一種寶貴的建筑材料資源，合理的洞渣分類方法和快速的洞渣性能評價技術可以從源頭保證洞渣的品質，有利于洞渣的資源化綜合利用。

(2)隧道洞渣分類方法主要包括開挖方式和圍巖級別。鉆爆料適用于制備機制砂石骨料，TBM料適用于制備機制砂，低圍巖級別洞渣性能一般較好，但要結合巖性綜合考慮。

(3)多種快速評價方法聯合使用可以顯著提高隧道洞渣力學性能預測結果的準確性，回彈值指標法和聲波檢測法適用于鉆爆料的快速評定，而點荷載法更適用于TBM料的測試。

(4)隧道洞渣資源化利用主要包括作為填料、制備機制砂石骨料、鐵路道砟或公路路面級配碎石和造地等，其中洞渣的復雜性是限制其制備機制砂石骨料的主要原因。

5.2 建 議

(1)在基礎理論方面：為探明不同巖性洞渣關鍵性能指標，亟需開展不同巖性洞渣的物理化學性能、耐久性能等方面的理論研究，同時提出洞渣關鍵性能的快速評價技術。

(2)在應用技術方面：隧道洞渣性能波動大是造成我國洞渣利用率低的主要原因，絕大多數工程都將洞渣用作填料，少部分用于生產機制砂石骨料。因此采用合理的洞渣分類方法，快速的洞渣性能評價技術和嚴格的洞渣質量管控措施，可提高洞渣作為母巖制備機制砂石骨料的利用率。

(3)在標準規范方面：為保障隧道洞渣利用的安全可靠，應從洞渣分類、洞渣性能、洞渣快速評價技術、出渣量、棄渣場規劃與布置、生產工藝和加工設備，以及成品性能指標等方面建立相關標準體系。