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(xué)研究院集團(tuán)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(shè)正向中西部轉(zhuǎn)移，受地形條件的影響，隧道占比一般會(huì)超過80%[1]。隧道洞渣是隧道開挖過程中的必然產(chǎn)物，眾多隧道工程建設(shè)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)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(guān)心的問題。

隧道洞渣是一種可利用的資源，這是國內(nèi)外公認(rèn)的觀點(diǎn)。吳志俊等[2]在忻州至阜平高速公路中，針對(duì)全線開挖總量達(dá)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(dá)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(dá)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(yīng)用范圍將十分廣泛，會(huì)帶來顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)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(duì)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(yīng)用的主要原因，因地制宜利用隧道洞渣是實(shí)現(xiàn)洞渣取之于隧道用之于隧道的關(guān)鍵。本文針對(duì)隧道洞渣的特點(diǎn)，從隧道洞渣的分類方法、快速評(píng)價(jià)技術(shù)和資源化綜合利用現(xiàn)狀等三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1 隧道洞渣的特點(diǎn)

了解隧道洞渣的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)其資源化綜合利用的前提，隧道洞渣的特點(diǎn)概括起來主要有性能波動(dòng)大、分布分散、產(chǎn)量受制于施工進(jìn)度、危害大、處理費(fèi)用高和清潔度低等。

1.1 性能波動(dòng)大

與專門經(jīng)過地質(zhì)勘察選取的母巖礦山不同，性能波動(dòng)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(qiáng)，可以根據(jù)石質(zhì)情況變化隨時(shí)改變堂口挖深和走向，從而保證母材質(zhì)量穩(wěn)定性。對(duì)于隧道洞渣來說，隧道在開挖的過程中只能沿設(shè)計(jì)線路被動(dòng)前進(jìn)，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(jí)別、巖性、抗壓強(qiáng)度、風(fēng)化程度和化學(xué)性能等都會(huì)發(fā)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(jìn)一步加大了隧道洞渣品質(zhì)的差異性和復(fù)雜性。鄧濤[8]發(fā)現(xiàn)同一隧道不同部位的洞渣性能存在顯著差異，其中抗壓強(qiáng)度最大變化幅度達(dá)到70 MPa。Voit等[9]同樣發(fā)現(xiàn)洞渣抗壓強(qiáng)度離散性較強(qiáng)，其中板巖的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)值達(dá)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(duì)洞渣性能開展進(jìn)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(diǎn)分散[1]，影響區(qū)域較大。據(jù)相關(guān)工程[5-6,10-11]估算，每公里隧道可產(chǎn)生洞渣量約為13～19 m3，單個(gè)隧道產(chǎn)生洞渣量約為50～100 m3，這相當(dāng)于將母巖礦山料源分散至數(shù)十個(gè)不同區(qū)域。同時(shí)隧道占比越大，隧道越短，則分散性越強(qiáng)，越不利于洞渣質(zhì)量控制。

1.3 產(chǎn)量受制于施工進(jìn)度

隧道施工進(jìn)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(chǎn)量嚴(yán)重受限。此外，隧道開挖過程中不免會(huì)遇到涌水、圍巖完整性差和裂隙發(fā)育等情況[12-14]，這些因素將會(huì)進(jìn)一步延緩施工進(jìn)度。

1.4 危害大

隧道洞渣數(shù)量巨大，若不按相關(guān)要求進(jìn)行合理處置，勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的危害[15-16]。(1)改變?cè)械乇憝h(huán)境。隧道洞渣堆放于指定棄渣場會(huì)占用大量閑置土地，使得原有土地喪失耕種和種植功能，進(jìn)而降低土壤抗侵蝕能力，造成水土流失，嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)平衡。(2)引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害。棄渣場一般位于地勢(shì)較低的山洼和溝谷之中，而洞渣堆放高度最高可達(dá)數(shù)十米，且一般不經(jīng)過碾壓處理，在雨季可能形成泥石流，誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。(3)危及周邊和下游環(huán)境。棄渣場破壞了河道原有結(jié)構(gòu)，對(duì)下游地區(qū)人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)帶來了嚴(yán)重威脅。(4)含有放射性和重金屬元素。我國地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)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(fèi)用高

隧道洞渣的處理費(fèi)用極高，可達(dá)數(shù)千萬元以上[8]，主要包括租用土地、運(yùn)輸和處置維護(hù)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(yùn)輸分為洞內(nèi)運(yùn)輸和洞口至棄渣場運(yùn)輸，若洞口至棄渣場運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，將會(huì)大幅度增加運(yùn)輸成本。處置維護(hù)主要從環(huán)保和安全方面考慮，經(jīng)綠化和壓實(shí)處理的棄渣場需要大量的費(fèi)用。

1.6 清潔度低

隧道洞渣在開挖和搬運(yùn)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(dāng)?shù)某s、除土和沖洗措施。

2 隧道洞渣的分類

性能波動(dòng)大是造成隧道洞渣利用難的關(guān)鍵因素之一，合理的分類方法對(duì)隧道洞渣的資源化利用具有重要的意義[17]。然而目前對(duì)于隧道洞渣的分類尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。本文提出了基于開挖方式和隧道圍巖級(jí)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(jìn)機(jī)(TBM)料。不同開挖方式產(chǎn)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(chǎn)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(duì)TBM法，開展了不同切割深度和推力對(duì)洞渣尺寸的影響研究，結(jié)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(shù)影響，Shams等[21]指出巖石完整性和可鉆性同樣會(huì)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(jìn)行掘進(jìn)，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(duì)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(jī)制砂的生產(chǎn)，而鉆爆法產(chǎn)生的洞渣經(jīng)過篩分除土、沖洗后，可用作機(jī)制砂石骨料的聯(lián)產(chǎn)制備。

2.2 圍巖級(jí)別

圍巖級(jí)別劃分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一隧道不同區(qū)段洞渣品質(zhì)進(jìn)行定性認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)隧道由“線”到“段”的進(jìn)一步了解。隧道洞渣按圍巖級(jí)別可以分為六類[22]，圍巖級(jí)別越小，意味著開挖的隧道洞渣品質(zhì)越好，越有利于其建筑材料的資源化利用，但是使用圍巖級(jí)別判斷洞渣品質(zhì)并不十分準(zhǔn)確，有時(shí)需要結(jié)合洞渣的巖性加以輔助分析。例如Ⅳ/Ⅴ級(jí)圍巖的玄武巖滿足作為砂石料料源的標(biāo)準(zhǔn)要求，而圍巖等級(jí)較低的頁巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r不宜用作原料生產(chǎn)砂石料[1,23-26]。

3 隧道洞渣力學(xué)性能快速評(píng)價(jià)技術(shù)

隧道現(xiàn)場施工時(shí)，洞渣分類不及時(shí)將造成棄渣場堆放混亂，影響洞渣正常使用。根據(jù)隧道洞渣的開挖方式和圍巖級(jí)別分類，有助于實(shí)現(xiàn)母材質(zhì)量的源頭控制，然而，這種分類方法精細(xì)化程度不足，無法完全保障洞渣品質(zhì)，因此亟需提出隧道洞渣性能快速評(píng)價(jià)技術(shù)。常規(guī)的巖石物理化學(xué)性能和耐久性能檢測(cè)一般耗時(shí)較大，不適合作為洞渣性能的現(xiàn)場評(píng)價(jià)指標(biāo)，而巖石力學(xué)性能的快速評(píng)價(jià)技術(shù)相對(duì)比較成熟。

隧道洞渣的力學(xué)性能是評(píng)定其能否作為建筑材料應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是確定洞渣如何應(yīng)用的重要參數(shù)之一。國標(biāo)《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)[27]提出在水飽和狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度火成巖應(yīng)不小于80 MPa，變質(zhì)巖應(yīng)不小于60 MPa，水成巖應(yīng)不小于30 MPa。鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路混凝土》(TB-T 3275—2018)[28]、《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10424—2018)[29]和鐵路企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路機(jī)制砂場建設(shè)技術(shù)規(guī)程》(報(bào)批稿2020)[30]均規(guī)定巖石抗壓強(qiáng)度大于或等于1.5倍混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《公路機(jī)制砂高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》(T/CECS G：K50-30—2018)[31]指出C60及以上強(qiáng)度等級(jí)混凝土的母巖抗壓強(qiáng)度宜大于1.5倍混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。隧道洞渣按抗壓強(qiáng)度分類是其實(shí)現(xiàn)資源化利用的必要條件。鄧濤[8]根據(jù)隧道洞渣的飽水抗壓強(qiáng)度將洞渣分為三個(gè)品質(zhì)：當(dāng)洞渣飽水抗壓強(qiáng)度大于等于60 MPa時(shí)為Ⅰ類高品質(zhì)洞渣，當(dāng)洞渣飽水抗壓強(qiáng)度在30～60 MPa之間時(shí)為Ⅱ類品質(zhì)較低的洞渣，當(dāng)洞渣飽水抗壓強(qiáng)度小于30 MPa時(shí)為Ⅲ類低強(qiáng)度的洞渣。張華永[10]針對(duì)岳武高速公路工程隧道洞渣工程應(yīng)用需求，同樣選擇巖石飽水抗壓強(qiáng)度作為該工程的洞渣評(píng)定的指標(biāo)。

目前針對(duì)巖石力學(xué)性能提出了幾種適合現(xiàn)場的快速評(píng)價(jià)方法，主要為回彈值指標(biāo)法、聲波檢測(cè)法和點(diǎn)荷載法，下面將對(duì)各種快速評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

3.1 回彈值指標(biāo)法

在國內(nèi)，回彈值指標(biāo)法在混凝土方面的研究比較成熟[32-34]，然而其在巖石力學(xué)性能方面的研究相對(duì)較少。楊澤君[35]提出不平整巖石表面的回彈值數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，通過優(yōu)化回彈儀彈擊桿端面曲率和使用合理的測(cè)試程序，獲得了巖石回彈值與巖石單軸抗壓強(qiáng)度較好的擬合關(guān)系。王睿等[36]指出傳統(tǒng)的機(jī)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(zhǔn)確快速地獲得巖石的回彈值。國外學(xué)者很早就開展了相關(guān)研究，并提出了巖石回彈值與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)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(qiáng)度具有較好的相關(guān)性，然而回彈值指標(biāo)法不能直接用于檢測(cè)內(nèi)部有明顯差異或缺陷的物體[43]。

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

3.2 聲波檢測(cè)法

聲波檢測(cè)法是通過檢測(cè)超聲波在巖體中的聲學(xué)參數(shù)變化，間接地反映巖石的物理力學(xué)特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征[44]。韋欣等[44]利用聲波測(cè)井技術(shù)獲得的動(dòng)態(tài)巖石彈性力學(xué)參數(shù)對(duì)巖石強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，將實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與聲波測(cè)井所得到的力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出利用聲波測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石抗壓強(qiáng)度是可行的。衛(wèi)增杰[45]提出基于聲波時(shí)差的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)巖石單軸抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過校正后，預(yù)測(cè)誤差在15%內(nèi)。然而單純使用聲波檢測(cè)法來預(yù)測(cè)巖石的抗壓強(qiáng)度，有時(shí)會(huì)因巖體的顆粒特征、內(nèi)部裂隙和巖體含水狀態(tài)等因素帶來較大的誤差[43]。

3.3 點(diǎn)荷載法

點(diǎn)荷載試驗(yàn)是一種快速、輕便、經(jīng)濟(jì)的測(cè)試手段，可用來預(yù)估巖石單軸抗壓強(qiáng)度，試件可直接選用鉆探巖心或現(xiàn)場不規(guī)則的巖塊，該方法適用于野外巖體勘測(cè)[35]。劉泉聲等[46]從吉林引松供水工程 TBM 產(chǎn)生的洞渣中挑選塊狀試樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，同時(shí)在產(chǎn)生洞渣的相應(yīng)位置獲取芯樣點(diǎn)荷載強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)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(jié)果為 TBM 隧道現(xiàn)場快速獲取洞渣強(qiáng)度參數(shù)提供了方法和依據(jù)。李安平[47]基于貴州紫金水銀洞金礦巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)二者進(jìn)行多種擬合分析，得到了單軸抗壓強(qiáng)度和點(diǎn)荷載強(qiáng)度的最佳關(guān)系式。

采用單一的快速評(píng)價(jià)方法雖然可預(yù)測(cè)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，但一般均存在較大誤差，多種快速評(píng)價(jià)方法聯(lián)合使用可以顯著提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[36,48-51]。同時(shí)考慮到隧道開挖方式對(duì)洞渣尺寸影響較大，回彈值指標(biāo)法和聲波檢測(cè)法一般適用于鉆爆法產(chǎn)生洞渣的快速評(píng)定，而點(diǎn)荷載法更適用于TBM掘進(jìn)產(chǎn)生洞渣的測(cè)試。

4 隧道洞渣建筑材料資源化綜合利用現(xiàn)狀

隧道洞渣總體規(guī)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(shè)計(jì)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(shù)量等優(yōu)化實(shí)現(xiàn)出渣源頭減量化。無害化是指對(duì)于含有放射性、重金屬和易燃的洞渣，要優(yōu)先進(jìn)行分離，并采取相應(yīng)的科學(xué)規(guī)范處置技術(shù)。資源化是指采取適當(dāng)?shù)墓に嚭图夹g(shù)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(duì)隧道洞渣資源化綜合利用做了重點(diǎn)介紹。由圖2可以看出，隧道洞渣使用前必須進(jìn)行嚴(yán)格分類，對(duì)于硬質(zhì)石塊洞渣需使用快速評(píng)價(jià)方法進(jìn)一步分類，最終實(shí)現(xiàn)不同類型洞渣的資源化綜合利用。從目前國內(nèi)外資源化利用情況來看，主要有以下幾個(gè)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(jī)制砂石骨料配制不同類型混凝土，以滿足施工現(xiàn)場需求；三是作為鐵路道砟或公路路面級(jí)配碎石；四是用作造地、生態(tài)砌塊和景觀建設(shè)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(jiān)石、次堅(jiān)石、石渣等優(yōu)良的路基填筑材料[15]，經(jīng)簡單的篩選便可用于拋石擠淤、石方路基施工和臺(tái)背回填，不但可以改善路基填料的質(zhì)量，而且能夠使隧道洞渣變廢為寶。我國大部分地區(qū)處于多雨地帶，雨季相對(duì)較長，造成了部分路基填料天然含水率較高，即使對(duì)其進(jìn)行反復(fù)翻曬，仍會(huì)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(biāo)地段借助物理改良方案，通過控制洞渣最大粒徑、洞渣強(qiáng)度與壓實(shí)層厚度的關(guān)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(jié)果表明使用隧道洞渣填筑的路基性能更加優(yōu)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(jìn)行摻配，同時(shí)對(duì)填筑時(shí)所用洞渣進(jìn)行多次試驗(yàn)與檢測(cè)，試驗(yàn)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(shù)能夠在保證路基填筑質(zhì)量的同時(shí)，獲得較高的施工效率和經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 制備機(jī)制砂石骨料

圖3 TBM掘進(jìn)、巖石選擇、骨料質(zhì)量評(píng)估和混凝土生產(chǎn)一體化設(shè)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(jī)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(shù)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(jī)制砂石骨料，認(rèn)為用作制備機(jī)制砂石骨料的隧道洞渣應(yīng)避免含有大量的脆性礦物、過度堅(jiān)硬的礦物及片狀和纖維狀礦物，同時(shí)注意低耐蝕性、高溶解度和堿活性物質(zhì)對(duì)混凝土性能造成的負(fù)面影響。對(duì)于骨料堿活性，Bellopede等[19]首先從巖石礦物組成出發(fā)，分析其在混凝土中是否會(huì)發(fā)生潛在堿骨料反應(yīng)。此外，Bellopede等[57]對(duì)比了經(jīng)過處理和未處理隧道洞渣的堿骨料反應(yīng)活性，結(jié)果表明經(jīng)過處理后的洞渣砂漿棒膨脹的更大，并且抗彎強(qiáng)度更低。Olbrecht等[58]同樣對(duì)TBM產(chǎn)生的隧道洞渣是否可以作為混凝土骨料開展了系統(tǒng)研究，試驗(yàn)通過對(duì)5個(gè)不同地區(qū)黑云母片麻巖、白云母片麻巖、鈣質(zhì)頁巖和硅質(zhì)石灰石進(jìn)行分析，同時(shí)與當(dāng)?shù)厥褂玫牡[石進(jìn)行比較，結(jié)果表明除了鈣質(zhì)頁巖，其余未經(jīng)處理的TBM洞渣可以作為混凝土用骨料，當(dāng)經(jīng)過工藝改進(jìn)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(jí)配和粒型均較差，需要經(jīng)過一定的破碎整形和篩分等工藝加以改進(jìn)。同時(shí)經(jīng)過水沖洗的洞渣骨料，其混凝土抗壓強(qiáng)度可以提高20%以上，其主要原因?yàn)槿コ烁街诠橇媳砻娴募?xì)粉顆粒[9]。Petitat等[60]同時(shí)考慮母巖性能、骨料品質(zhì)和混凝土配制技術(shù)，提出TBM在線分析和處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)、巖石選擇、骨料質(zhì)量評(píng)估和混凝土生產(chǎn)一體化，如圖3所示?？梢钥闯?，巖石的強(qiáng)度將由安裝在TBM刀盤上的圓盤刀具載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來確定，骨料的顆粒尺寸和級(jí)配等將使用最新的在線技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，機(jī)制砂的云母含量將被自動(dòng)檢測(cè)和量化，最終實(shí)現(xiàn)噴射混凝土、混凝土和砂漿的生產(chǎn)。

國內(nèi)對(duì)于隧道洞渣制備機(jī)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(chǎn)工藝及設(shè)備選型方面，張琨健[62]以隧道洞渣加工生產(chǎn)機(jī)制砂為例，圍繞設(shè)備選型、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、成品性能指標(biāo)和環(huán)境保護(hù)幾個(gè)方面，制備出性能優(yōu)異的成品砂。陳浩[63]從隧道洞渣分類選取、砂石場生產(chǎn)設(shè)備選型和生產(chǎn)過程控制著手，同樣制備出了滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制砂石骨料。在工程案例應(yīng)用方面，西成客運(yùn)專線建設(shè)項(xiàng)目以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖洞渣為主，剔除泥巖、風(fēng)化巖和吸水率高的板巖后，篩選出母巖抗壓強(qiáng)度≥60 MPa以上的洞渣，生產(chǎn)出細(xì)度模數(shù)適中的機(jī)制砂，并制備出滿足性能要求的C35強(qiáng)度等級(jí)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(zhì)量控制措施，將隧道洞渣成功應(yīng)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(yōu)選整體性好、性能滿足要求洞渣用于加工機(jī)制砂，將破碎帶、含泥地層、軟弱地層以及富水區(qū)段開挖的洞渣直接作為路基填料。將優(yōu)選后的洞渣通過三級(jí)破碎，同樣生產(chǎn)出符合混凝土要求的機(jī)制砂，經(jīng)配制的C40混凝土28 d標(biāo)養(yǎng)下的抗壓強(qiáng)度達(dá)到50.5 MPa。

隧道洞渣用于制備砂石骨料時(shí)，由于隧道洞渣母巖波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響隧道洞渣的利用率。因此應(yīng)加強(qiáng)隧道洞渣檢驗(yàn)頻率，當(dāng)圍巖等級(jí)發(fā)生變化或目測(cè)巖性發(fā)生變化時(shí)，至少需進(jìn)行一次堿活性、堅(jiān)固性、母巖強(qiáng)度、吸水率和有害物質(zhì)等試驗(yàn)。

4.3 鐵路道砟或路面級(jí)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(guī)定洞渣加工成的道砟不得在客運(yùn)專線正線上使用。王紅等[66]基于仿真分析發(fā)現(xiàn)，道砟材質(zhì)對(duì)固化道床的性能影響較小，因此可以在洞渣的分級(jí)選用控制標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將洞渣道砟作為固化道床的骨料使用。肖杰靈等[67]對(duì)比了隧道洞渣與鐵路道砟在粒徑級(jí)配、巖石強(qiáng)度等基本參數(shù)上的異同，結(jié)合相關(guān)鐵路沿線工程地質(zhì)特征，分析了隧道洞渣應(yīng)用于有砟道床的可行性，并提出了相關(guān)處理建議。結(jié)果表明，隧道洞渣滿足道砟粒徑范圍和材質(zhì)強(qiáng)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(chǔ)上提出了隧道洞渣再加工處理原則，可為相關(guān)鐵路工程隧道洞渣在有砟軌道道床上的綠色應(yīng)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(jié)構(gòu)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(duì)于隧道圍巖級(jí)別較好，抗壓強(qiáng)度較高的洞渣，可設(shè)置專門的碎石加工場，通過篩分、清洗，按照路面對(duì)碎石級(jí)配的具體要求，破碎加工成不同規(guī)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(biāo)準(zhǔn)各異，填筑較高的場地要求邊坡穩(wěn)定，建筑地基要求沉降控制在容許的范圍內(nèi)，公園場地表層應(yīng)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(qū)，大面積平地十分短缺，用隧道洞渣進(jìn)行了應(yīng)急避難場所、武警訓(xùn)練營地等造地項(xiàng)目。拉林鐵路充分利用隧道洞渣建立牧場，為當(dāng)?shù)啬撩穹硼B(yǎng)牲畜提供草場，牧民能夠在上面覆蓋土壤種植牧草。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié) 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(píng)價(jià)技術(shù)可以從源頭保證洞渣的品質(zhì)，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(jí)別。鉆爆料適用于制備機(jī)制砂石骨料，TBM料適用于制備機(jī)制砂，低圍巖級(jí)別洞渣性能一般較好，但要結(jié)合巖性綜合考慮。

(3)多種快速評(píng)價(jià)方法聯(lián)合使用可以顯著提高隧道洞渣力學(xué)性能預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，回彈值指標(biāo)法和聲波檢測(cè)法適用于鉆爆料的快速評(píng)定，而點(diǎn)荷載法更適用于TBM料的測(cè)試。

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

5.2 建 議

(1)在基礎(chǔ)理論方面：為探明不同巖性洞渣關(guān)鍵性能指標(biāo)，亟需開展不同巖性洞渣的物理化學(xué)性能、耐久性能等方面的理論研究，同時(shí)提出洞渣關(guān)鍵性能的快速評(píng)價(jià)技術(shù)。

(2)在應(yīng)用技術(shù)方面：隧道洞渣性能波動(dòng)大是造成我國洞渣利用率低的主要原因，絕大多數(shù)工程都將洞渣用作填料，少部分用于生產(chǎn)機(jī)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(píng)價(jià)技術(shù)和嚴(yán)格的洞渣質(zhì)量管控措施，可提高洞渣作為母巖制備機(jī)制砂石骨料的利用率。

(3)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面：為保障隧道洞渣利用的安全可靠，應(yīng)從洞渣分類、洞渣性能、洞渣快速評(píng)價(jià)技術(shù)、出渣量、棄渣場規(guī)劃與布置、生產(chǎn)工藝和加工設(shè)備，以及成品性能指標(biāo)等方面建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。