房玉中，陳曉成，羅先剛，徐世均

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶　404100)

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鐵路隧道機(jī)制砂生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究

房玉中，陳曉成，羅先剛，徐世均

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶404100)

摘要：隨著國(guó)家工程建設(shè)的全面鋪開(kāi)，工程施工用砂(河沙)日益緊張，存在運(yùn)距遠(yuǎn)、單價(jià)高等現(xiàn)象，給項(xiàng)目施工帶來(lái)巨大的成本壓力。以渝黔鐵路天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線為例，基于環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，對(duì)機(jī)制砂生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究，進(jìn)一步推廣其在鐵路工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；機(jī)制砂；機(jī)制砂混凝土；環(huán)水保；經(jīng)濟(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道已達(dá)11 516座，總長(zhǎng)約10 482.152 km。目前在建鐵路隧道4 500座，總長(zhǎng)8 300 km；已建公路隧道12 404 處，累計(jì)長(zhǎng)度10 756.700 km；已建成的各類水工隧道也超過(guò)10 000 km。砂是建筑基礎(chǔ)材料之一，近年來(lái)砂的需求量一直在增長(zhǎng)，而天然砂的開(kāi)采面臨著資源迅速減少及環(huán)境保護(hù)的壓力。各地在保護(hù)資源、減少污染的大前提下，利用礦石、尾礦及河卵石生產(chǎn)機(jī)制砂，其被廣泛用于各類工程中[1]。

在我國(guó)西南、中南等地，一些地區(qū)缺少天然砂石料資源，而這些地區(qū)正在開(kāi)發(fā)建設(shè)，對(duì)機(jī)制砂的需求就更大，故迫切需要尋找新的砂源來(lái)彌補(bǔ)天然砂的短缺，而西南地區(qū)地層多為石灰石，石料及混凝土骨料儲(chǔ)量豐富，如果在沿線采石制備機(jī)制砂，成本較低。因此，合理利用好當(dāng)?shù)刎S富的資源，用機(jī)制砂取代天然砂，將是解決天然砂短缺非常經(jīng)濟(jì)的方法，也是形勢(shì)所需。20世紀(jì)50年代修建獅子灘、上猶江、流溪河等水電站工程時(shí)，都曾建立機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代映秀灣水電站工程采用棒磨機(jī)制砂。70年代烏江渡工程建成了規(guī)模較大的機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)的機(jī)制砂質(zhì)優(yōu)價(jià)廉。80年代后期，大化、巖灘、天生橋二級(jí)、漫灣、東風(fēng)、五強(qiáng)溪、隔河巖、寶珠寺、江婭等大型水電站工程均采用了機(jī)制砂生產(chǎn)線，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但鐵路建設(shè)大量使用機(jī)制砂時(shí)間不長(zhǎng)，需要加強(qiáng)研究鐵路系統(tǒng)機(jī)制砂生產(chǎn)線。機(jī)制砂生產(chǎn)線主體設(shè)備包括振動(dòng)喂料機(jī)、鄂式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)、振動(dòng)篩、集中電控和皮帶輸送機(jī)等。如何把生產(chǎn)線各種型號(hào)破碎設(shè)備與輔助設(shè)備進(jìn)行組合，形成經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的機(jī)制砂生產(chǎn)線，使之生產(chǎn)的機(jī)制砂成本低、質(zhì)量?jī)?yōu)，拌制的機(jī)制砂混凝土能夠滿足鐵路工程施工需要，應(yīng)作為下一步的研究重點(diǎn)[2-5]。

渝黔鐵路天坪隧道為單洞雙線隧道，位于重慶與貴州交界的桐梓縣境內(nèi)，正洞全長(zhǎng)13 978 m，平導(dǎo)長(zhǎng)11 775 m，分為進(jìn)口段、斜井、出口段3部分施工。該隧道沿線均為山區(qū)，地質(zhì)主要是石灰?guī)r，礦石資源豐富，沒(méi)有天然砂。本文以渝黔鐵路天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線為例，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面對(duì)鐵路隧道機(jī)制砂生產(chǎn)進(jìn)行研究，以確保鐵路工程項(xiàng)目降低成本，增加效益[6]。

1機(jī)制砂母材要求

機(jī)制砂按技術(shù)要求分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類，Ⅰ類宜用于強(qiáng)度等級(jí)大于或等于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強(qiáng)度大于或等于C30、小于C60及有抗凍、抗?jié)B要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強(qiáng)度等級(jí)小于C30的混凝土。機(jī)制砂宜采用開(kāi)采的新鮮母巖制作。母巖巖石抗壓強(qiáng)度的要求宜滿足Ⅰ類機(jī)制砂不小于80 MPa、Ⅱ類機(jī)制砂不小于60 MPa、Ⅲ類機(jī)制砂不小于30 MPa的要求。

根據(jù)渝黔鐵路混凝土強(qiáng)度要求，需要Ⅱ類機(jī)制砂，對(duì)母巖強(qiáng)度要求不低于60 MPa。為提高經(jīng)濟(jì)效益，加工前需對(duì)母巖進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)、篩選和清洗。通常，母材含土量每超過(guò)1%，會(huì)降低混凝土強(qiáng)度5%～10%，要想保持混凝土強(qiáng)度不變則水泥用量要增加5%。因此，對(duì)母巖進(jìn)行篩選是減少水泥消耗，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要途徑[7]。

2機(jī)制砂生產(chǎn)線工藝改進(jìn)研究

機(jī)制砂生產(chǎn)線包括給料機(jī)、顎式破碎機(jī)、反擊破碎機(jī)、制砂機(jī)、傳送帶、振動(dòng)篩、螺旋洗砂機(jī)等主要設(shè)備。設(shè)備選型要考慮設(shè)備的生產(chǎn)能力與系統(tǒng)匹配，某一設(shè)備的生產(chǎn)能力不應(yīng)小于系統(tǒng)的能力，否則會(huì)限制系統(tǒng)能力的發(fā)揮；但也不應(yīng)有過(guò)大的富余，否則會(huì)無(wú)謂增加固定設(shè)備的投入費(fèi)用。此外，還需考慮生產(chǎn)線設(shè)備的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

渝黔鐵路天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線設(shè)計(jì)用砂12萬(wàn)m3，年最高用砂7萬(wàn)m3，月最高用砂1萬(wàn)m3，80%砂供應(yīng)量集中在2014—2015年。隧道施工過(guò)程中，月最高機(jī)制砂加工量為0.65萬(wàn)m3，日最高機(jī)制砂加工量為500 m3，每d最高生產(chǎn)工作時(shí)間為10 h(夜間不生產(chǎn))，每h機(jī)制砂最高加工量為50 m3，折合重量為80 t(機(jī)制砂按照1.6 t/m3計(jì)算)，即天坪隧道進(jìn)口處機(jī)制砂生產(chǎn)線的砂處理能力為80 t/h。實(shí)踐證明，天坪隧道進(jìn)口處機(jī)制砂生產(chǎn)線完全滿足現(xiàn)場(chǎng)施工生產(chǎn)的需要。

天坪隧道進(jìn)口段的機(jī)制砂生產(chǎn)線已在鐵路施工中成功運(yùn)用，其生產(chǎn)工藝也已經(jīng)在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)，這里只探討對(duì)原有機(jī)制砂生產(chǎn)線工藝的一些改進(jìn)。以往在鐵路工程施工中采用FG1000螺旋式洗砂機(jī)洗砂，而FG1000螺旋式洗砂機(jī)螺旋轉(zhuǎn)速較快，現(xiàn)場(chǎng)一般為11轉(zhuǎn)/ min，致使分級(jí)脫水時(shí)溢流速度過(guò)大，水洗過(guò)程中將0.075～0.15 mm檔細(xì)砂沖走，導(dǎo)致機(jī)制砂級(jí)配不連續(xù)。為解決0.075～0.15 mm檔細(xì)砂流失問(wèn)題，天坪隧道進(jìn)口段施工時(shí)增設(shè)了FG500螺旋洗砂機(jī)和迂回式過(guò)濾水倉(cāng)，并安裝了多檔調(diào)節(jié)電氣開(kāi)關(guān)控制轉(zhuǎn)速，以確保螺旋轉(zhuǎn)速降下來(lái)，并從粗砂過(guò)濾后混水中含的細(xì)砂中再次提洗0.075～0.15 mm的砂子出來(lái)，且將其與粗砂混合，從而使機(jī)制砂顆粒級(jí)配斷檔得到了彌補(bǔ)，解決了機(jī)制砂級(jí)配斷檔技術(shù)難題[8]。

3機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土研究

3.1機(jī)制砂級(jí)配合規(guī)性研究

以往經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)制砂某一粒徑的缺失會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的混凝土工作性能不足，故機(jī)制砂生產(chǎn)中保持其級(jí)配合規(guī)非常重要[9]。

為研究天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂工藝改進(jìn)后其級(jí)配是否得到優(yōu)化，需對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行采樣篩分。首先關(guān)閉FG500螺旋洗砂機(jī)，采集3組機(jī)制砂；然后開(kāi)啟FG500螺旋洗砂機(jī)，采集3組機(jī)制砂。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)上述6組機(jī)制砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　各檔集料重量所占百分比

注：組1～3是關(guān)閉FG500螺旋洗砂機(jī)采集的數(shù)據(jù)，組4～6是開(kāi)啟FG500螺旋洗砂機(jī)采集的數(shù)據(jù)。

由表1可以看出，關(guān)閉FG500螺旋洗砂機(jī)和迂回式過(guò)濾水倉(cāng)后，0.3～9.5 mm檔砂重量占各檔總重量的百分比基本沒(méi)有變化，變化最為嚴(yán)重的是0.075～0.15 mm檔砂。由此可以推測(cè)，開(kāi)啟FG500螺旋洗砂機(jī)和迂回式過(guò)濾水倉(cāng)前，0.075～0.15 mm檔砂流失最為嚴(yán)重；開(kāi)啟FG500螺旋洗砂機(jī)和迂回式過(guò)濾水倉(cāng)后，0.075～0.15 mm檔砂重量占各檔總重量百分比明顯增大，達(dá)到了回收0.075～0.15 mm檔砂的目的，并使機(jī)制砂級(jí)配得到優(yōu)化。

細(xì)度模數(shù)是表征砂粒徑的粗細(xì)程度及類別的指標(biāo)，故在生產(chǎn)中掌握細(xì)度模數(shù)就可以知道砂的粗細(xì)程度。

細(xì)度模數(shù)公式為：

式中：Mx為細(xì)度模數(shù)；A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm篩的累計(jì)篩余百分率。

以上6組砂的細(xì)度模數(shù)計(jì)算如下：

由6組砂的細(xì)度模數(shù)可以看出，在增設(shè)FG500螺旋洗砂機(jī)和迂回式過(guò)濾水倉(cāng)后，組4～6細(xì)度模數(shù)有所降低，但仍屬于粗砂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的樣本，發(fā)現(xiàn)為渝黔鐵路天坪隧道進(jìn)口處生產(chǎn)的機(jī)制砂基本上均為粗砂，極少數(shù)為中砂。

3.2機(jī)制砂混凝土研究

在拌制機(jī)制砂混凝土?xí)r，為驗(yàn)證工藝改進(jìn)后生產(chǎn)的機(jī)制砂按一定配合比拌制機(jī)制砂混凝土后是否能夠滿足施工生產(chǎn)要求，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行了試件制作和同條件養(yǎng)護(hù)?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，現(xiàn)場(chǎng)試配強(qiáng)度為42.3 MPa。

對(duì)4個(gè)混凝土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試配，主要是對(duì)混凝土水膠比和砂率進(jìn)行調(diào)整，并從配合比、坍落度、7 d強(qiáng)度、28 d強(qiáng)度、56 d強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析[9-10]。

第1組：水膠比為0.40的配合比，砂率42%，(砂率偏小)。

第2組：水膠比為0.40的配合比，砂率43%。

第3組：水膠比為0.42的配合比，砂率43%。

第4組：水膠比為0.43的配合比，砂率44%。

針對(duì)每組不同水膠比和砂率指標(biāo)，分別配制混凝土，對(duì)實(shí)測(cè)坍落度、實(shí)測(cè)擴(kuò)展度、7 d強(qiáng)度、28 d強(qiáng)度、56 d強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～5，具體試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1～4[10]。

表2　水膠比0.40，砂率0.42時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表3　水膠比0.40，砂率0.43時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表4　水膠比0.42，砂率0.43時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表5　水膠比0.43，砂率0.44時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖1　進(jìn)口段生產(chǎn)的機(jī)制砂

圖2　拌制試件

圖3　試件養(yǎng)護(hù)

圖4　試件強(qiáng)度測(cè)試

從表2～5數(shù)據(jù)可知，在水膠比為0.40，砂率為0.42時(shí)，配置的機(jī)制砂混凝土實(shí)測(cè)坍落度為200 mm，擴(kuò)展度為500 mm，均符合設(shè)計(jì)要求。從長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)的試件看其強(qiáng)度也均符合設(shè)計(jì)和配置要求。其它幾組試件雖然在坍落度和擴(kuò)展度上滿足規(guī)范要求，但配置的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)試配強(qiáng)度要求。因此，生產(chǎn)中只要選取好配合比，機(jī)制砂配置的混凝土就可以滿足施工規(guī)范要求。

4機(jī)制砂經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益

4.1經(jīng)濟(jì)效益

天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線投產(chǎn)后，設(shè)計(jì)用砂12萬(wàn)m3。施工中由于存在超欠挖，且主要是欠挖且比較嚴(yán)重，故實(shí)際用砂都在20萬(wàn)m3左右。采用自制機(jī)制砂成本為28元/ m3，而如果從市場(chǎng)上購(gòu)買河沙則成本為120元/m3，其總價(jià)要高出自制機(jī)制砂約1 800萬(wàn)元。另外，當(dāng)?shù)貦C(jī)制砂價(jià)格為67元/m3，故即使在當(dāng)?shù)刭?gòu)買其總價(jià)也要高出自制機(jī)制砂約800萬(wàn)元。因此，天坪隧道進(jìn)口段自建機(jī)制砂生產(chǎn)線可節(jié)約成本約800萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

我國(guó)加入世貿(mào)組織后，我國(guó)施工企業(yè)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。在一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境中，建筑市場(chǎng)孕育著巨大的商機(jī)，也潛藏著殘酷的競(jìng)爭(zhēng)，而建筑市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)在一定程度上就是成本的競(jìng)爭(zhēng)。施工企業(yè)必須通過(guò)強(qiáng)化管理降低工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。只有在保證工程工期和質(zhì)量的前提下，以低成本支持低價(jià)格，才能使企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

4.2環(huán)境效益

當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，任何一個(gè)企業(yè)在自身發(fā)展的同時(shí)，都不能夠以犧牲環(huán)境為代價(jià)。機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中往往伴隨著噪音擾民、粉塵污染大氣、廢水污染河流等現(xiàn)象。為此，天坪隧道在設(shè)計(jì)和選型時(shí)充分考慮采用噪音低、粉塵小的設(shè)備，設(shè)置了3級(jí)沉淀池和過(guò)濾設(shè)備，并在施工中安裝水噴頭、設(shè)置音障。

天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線的過(guò)濾設(shè)備為改進(jìn)工藝后引進(jìn)的，主要由壓濾機(jī)機(jī)架、濾布、濾板、液壓站、壓力表、液壓油管、水嘴組成。過(guò)濾設(shè)備的主要作用是通過(guò)沉淀池將污水抽到過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，使細(xì)砂石粉等小顆粒與水分開(kāi)，排除的廢水達(dá)到國(guó)家4類用水標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)濾水可以反復(fù)利用，從而使日用水量由以前500 m3減少至20 m3，實(shí)現(xiàn)了施工生產(chǎn)污水零排放。過(guò)濾設(shè)備的壓濾機(jī)及其排出的廢水見(jiàn)圖5、圖6。

圖5　壓濾機(jī)

圖6　壓濾機(jī)排出的廢水

4.3社會(huì)效益

渝黔鐵路天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線改進(jìn)了生產(chǎn)工藝后，社會(huì)各方均給予高度評(píng)價(jià)，為公司在業(yè)內(nèi)贏得了良好的口碑，也贏得了當(dāng)?shù)乩习傩盏臒崃覔碜o(hù)，大大提高了公司的知名度。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)渝黔鐵路天坪隧道進(jìn)口段機(jī)制砂生產(chǎn)線改進(jìn)生產(chǎn)工藝后生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂級(jí)配良好，滿足規(guī)范施工用砂要求。對(duì)機(jī)制砂拌制的混凝土試件進(jìn)行了分組驗(yàn)證，結(jié)果表明，只要水膠比、砂率選取得當(dāng)，生產(chǎn)的機(jī)制砂混凝土工作性能完全滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求。

另外，本文還對(duì)機(jī)制砂生產(chǎn)線生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會(huì)效益等方面進(jìn)行了論證。結(jié)果表明，進(jìn)一步推廣機(jī)制砂生產(chǎn)線在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，對(duì)于保持企業(yè)在經(jīng)營(yíng)中立于不敗之地相當(dāng)重要。

參 考 文 獻(xiàn)

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Economic and Technical Research on Production of Machine-made Sand for Railway Tunnels

FANG Yuzhong, CHEN Xiaocheng, LUO Xiangang, XU Shijun

Abstract:With appearance of national project construction in full swing, sand (river sand) for construction of projects in increasingly strained, phenomena such as long transport distance and high unit price, etc. exist, which bring huge cost pressure to construction of projects. With the production line of machine-made sand at inlet section of Tianping Tunnel on Chongqing-Guizhou Railway as an example, and based on the requirements of environmental protection and economic development, this paper studies production technology and economic benefit of machine-made sand, and further popularizes its application in railway projects.

Keywords:railway tunnel; machine-made sand; machine-made sand concrete; environmental protection; economic

文章編號(hào)：1009-6477(2016)01-0113-05

中圖分類號(hào)：U455.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：房玉中(1983-)，男，湖北省鐘祥市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-05-21

基金項(xiàng)目：中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(201304)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.025