山區鐵路隧道棄渣利用與施工組織設計優化研究

石天奇SHI Tian-qi

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

0 引言

截至2022 年底，全國鐵路營業里程達15.5 萬公里，其中高鐵4.2 萬公里。隨著平原地區路網逐漸形成，鐵路建設的主戰場將由平原逐漸向山區轉移。山區鐵路橋隧占比高、砂石需求量較大，受施工組織、施工工藝、建設管理條件等各方面限制，目前山區鐵路項目對隧道棄渣的使用率較低。若隧道棄渣無法合理利用，勢必增加隧道棄渣量和石料外借量，進而影響山區鐵路沿線生態環境，造成資源浪費。因此，開展山區鐵路隧道棄渣利用與施工組織設計動態優化研究對解決隧道棄渣使用率低的問題具有十分重要的意義。

Jayawardane[1]等簡化施工過程中開挖和填筑的時間因素，基于整數規劃建立施工進度和土石方調配聯合模型，進一步優化了土石利用情況。Hp.Olbrecht[2-3]等研究發現隧道棄渣在滿足規范要求的條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線性規劃土石方調配模型。曹生榮[5]等考慮了土石方調配與施工進度的時空效應，優化土石方調配線性規劃模型。段劍峰[6]參照鐵路工程高性能混凝土規范要求，從施工工期、隧道圍巖分布情況、棄渣運輸距離等多個角度，總結了建設項目隧道棄渣的利用數量以及其對工程投資的影響規律。劉宇[7]等結合宜昌市水土保持現狀，通過信息化平臺共享土石資源、布局倉儲基地科學規劃土石資源、建立高標準棄渣場，推動建設項目土石資源供需平衡。黃丙湖[8]等建立了修正蟻群算法計算模型，實現了土石方調配可視化。張仲勇[9]等調整土石開挖、填筑和工程進度等決策變量，進一步優化土石方調配對工程投資產生的影響。張璐[10]采用了玄武巖棄渣用作高速公路混凝土骨料，減緩了項目混凝土骨料供應量不足的問題。黃法禮[11]總結了隧道棄渣資源化利用的研究現狀仍處于初級階段，和建筑材料資源匱乏矛盾。于得水[12]利用隧道棄渣加工形成的機制砂作為試驗對象，分析了機制砂應用于C50 混凝土的物理力學性能可行性。周博[13]以經濟成本為目標分析了在建沈白高鐵隧道棄渣利用適用性。童源[14]研究了巖體應力、圍巖巖性等不同地質環境條件下，提出了隧道棄渣環保利用方法。嚴志偉[15]等以典型段隧道為依托，提出了隧道棄渣多元化利用模式。目前，隧道棄渣利用基本上只是進行了原則性的闡述，輔以理想條件下的施工組織設計，未充分考慮隧道棄渣使用過程中的動態性和施工組織設計的可調整性，得出具有普適性的隧道棄渣利用方案無法滿足實際工程需要。因此，本文綜合考慮隧道棄渣加工碎石的成品率和經濟成本，建立隧道棄渣可利用范圍公式模型，分析不同時間下隧道棄渣供應與實際工程中混凝土需求關系變化特征，以便為同類山區鐵路建設項目隧道棄渣利用提供理論參考和技術支持。

1 隧道棄渣利用范圍研究

山區鐵路石料的需求量是棄渣使用量與石料外借量的總和，由于每個項目的棄渣需求量是一定的，當棄渣的使用量越高，則表明發生外借的情況越少，外借量就越低。山區鐵路隧道棄渣利用按混凝土粗骨料為先，其中II 級圍巖碎石成品率prII為53.8%，III 級圍巖碎石成品率prIII為43.4%[16]。在確定工程棄渣利用做混凝土粗骨料前，需了解鐵路沿線地質質巖性以及隧道圍巖分布情況，合理確定隧道棄渣可利用數量。

1.1 山區鐵路主要工程混凝土需求量分析

結合相關設計規范和既有研究成果，統計分析了山嶺地區不同設計時速鐵路的主要工程混凝土需求量d，見表1。單線山區鐵路路基工程混凝土需求量ds1為13.20m3/m，橋梁工程混凝土需求量db1為24.11m3/m，隧道工程混凝土需求量dt1為13.67m3/m。雙線山區鐵路路基工程混凝土需求量ds2為17.06m3/m，橋梁工程混凝土需求量db2為24.36m3/m，隧道工程混凝土需求量dt2為28.70m3/m。根據統計不同項目主要工程的混凝土需求量結果可知，在實際棄渣調配過程中，應優先供給距棄渣產生工點較近的隧道和橋梁工程，其次考慮路基工程。

表1 山區鐵路主要工程混凝土需求量統計表

1.2 混凝土粗骨料體積率

混凝土是鐵路施工中必不可少且消耗量巨大的一種工程材料，其主要由普通水泥、碎石、中粗砂、粉煤灰、減水劑、水等材料組成。合格的隧道棄渣加工破碎后可以替代碎石，作為混凝土粗骨料。通過查閱《鐵路工程基本定額》（國鐵科法[2017]33 號）得到單位等級混凝土中粗骨料（碎石）的占比[17]，如表2 所示。混凝土等級越高，粗骨料所占比重隨之降低，粗骨料在混凝土中的占比R 約為74.89%。低等級混凝土主要應用于墊層混凝土、附屬混凝土中，主體工程混凝土等級一般較高。

表2 單位體積混凝土粗骨料（碎石）占比統計表

1.3 施工工期

長大隧道的工期較長，一般情況下均為控制工程，長大隧道相鄰工點相比該隧道工期較短。隧道棄渣可利用范圍主要包括巖性較好的II、III 級圍巖，而隧道進出口工區往往圍巖等級較差，因此隧道棄渣利用做混凝土粗骨料存在一定的滯后性。根據上述分析得到的圍巖碎石成品率pr、主要工程混凝土需求量d 和混凝土粗骨料體積率R，計算各級圍巖棄渣理論混凝土提供量C，見表3。

表3 混凝土需求量與隧道棄渣量關系表

通過以上分析得到混凝土需求量與隧道棄渣供應量的動態平衡關系變化規律，見圖1。圖中混凝土需求曲線與隧道棄渣供應曲線相交部分即為可利用隧道棄渣范圍。階段①：隧道進口工區圍巖等級普遍較差，隧道棄渣不能滿足利用條件，混凝土粗骨料絕大部分由外購解決；階段②：部分隧道開挖至II、III 級圍巖地段，可以利用隧道棄渣量持續增加，但仍不能滿足路、橋、隧各主要工程的混凝土需求量；階段③：可利用隧道棄渣量達到峰值，根據表3統計結果，在都不考慮多個施工斷面的情況下，每開挖單位延米隧道II 級圍巖產生的可利用隧道棄渣量略低于單位延米路基、橋梁、隧道同時施工的混凝土用量。因此，在路基、橋梁施工期間隧道開挖所產生棄渣量可以近似認為其全部可以利用（如隧道多斷面開挖，產生多余的隧道棄渣可以儲存至混凝土拌合站料倉內）；階段④：路基、橋梁段陸續完工，此時隧道開挖產生棄渣量大于工程施工需求量，僅能利用部分棄渣；階段⑤：僅剩隧道施工，該階段中隧道棄渣僅用于本隧道施工，一部分棄渣可以儲存至混凝土拌合站料倉，用于隧道出口工區施工，剩余棄渣將運至棄渣場。

圖1 混凝土需求量與隧道棄渣供應量的動態平衡關系示意圖

因此，路基、橋梁工程在施工期間應盡可能利用隧道棄渣，由于隧道工期普遍較路基、橋梁工期更長，可以在條件允許的情況下盡可能推遲路基、橋梁工程施工起始時間，首先進行隧道施工。在此條件下，假定可利用隧道棄渣量為G，路基、橋梁、隧道同步施工期間混凝土需求量分別為：ds、db、dt，該時間段內開挖隧道II、III 級圍巖長度分別為LII、LIII，隧道剩余工程施工期間混凝土需求量為qs，開挖隧道II、III 級圍巖長度為lII、lIII，則可以得出可利用隧道棄渣范圍G。

2 混凝土需求量峰值分析

整理山區鐵路建設項目路基、橋梁和隧道工程里程分部，估算沿線各工點混凝土骨料需求量，利用沿線交通運輸條件和運輸機械設備，結合實際材料供應計劃，梳理對施工工期影響較大的長大重隧道，設置全線混凝土粗骨料運輸方案。其中，骨料加工場的碎石供應量應大于沿線各工程混凝土需求量峰值之和。根據現場調研，參考《鐵路工程施工組織設計規范》（QC/R9004-20108）中無砟軌道施工進度指標[18]，鐵路項目混凝土峰值需求一般出現在路基地基處理、橋梁鉆孔樁、承臺、墩身、特殊孔跨（部分）及隧道襯砌混凝土同時施工期間。無砟軌道在橋梁下部工程和隧道襯砌工程施工完畢后施工，混凝土需求不會出現峰值，峰值混凝土計算時不考慮。

式中：Qy為骨料加工場碎石供應量，單位m3。

同時，骨料加工實際成本F2應低于外購混凝土骨料成本F1，由于鐵路工程隧道施工工藝不斷進步，特別位于山嶺地區的重點工程，混凝土骨料加工實際成本受當地運輸單價K 和骨料加工場與混凝土拌合站運輸距離μ 的影響較大。當運輸成本高時，工點將不采用來自隧道棄渣的骨料，會引起外借率升高；反之，運輸成本低時，外借率也會降低。

3 結論

①II 級圍巖碎石成品率prII為53.8%，III 級圍巖碎石成品率prIII為43.4%，并得到了山區鐵路路基、橋梁和隧道工程混凝土需求量以及混凝土粗骨料體積率。

②分析了混凝土需求量與隧道棄渣供應量的動態平衡關系變化規律，共分為五個階段，通過調整施工組織設計模型，增加了階段②～④的隧道棄渣使用量，將可利用隧道棄渣范圍公式化，提高了隧道出渣計劃和施工組織設計的匹配程度。

③考慮隧道棄渣使用過程中的動態性，在滿足骨料加工實際成本低于外購混凝土骨料成本的條件下，骨料加工場的碎石供應量應大于沿線各工程混凝土需求量峰值之和。