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    科學技術論文

    TBM洞挖料用作膠凝砂礫石骨料的可行性研究

    時間:2021年08月26日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:從時間與空間、環境保護、經濟效益、社會效益與施工技術發展個方面,分析了TBM洞挖料作為膠凝砂礫石骨料的可行性。通過直接采用TBM洞挖料和摻一定比例細顆粒料后的洞挖料作為骨料兩種情況進行了膠凝砂礫石抗壓強度試驗,同時將試驗結果與大同守口堡水

      摘要:從時間與空間、環境保護、經濟效益、社會效益與施工技術發展個方面,分析了TBM洞挖料作為膠凝砂礫石骨料的可行性。通過直接采用TBM洞挖料和摻一定比例細顆粒料后的洞挖料作為骨料兩種情況進行了膠凝砂礫石抗壓強度試驗,同時將試驗結果與大同守口堡水庫大壩(首座永久工程)工程現場試驗抗壓強度結果進行了對比。通過試驗驗證和對比分析可知,TBM洞挖料用作膠凝砂礫石骨料是可行的,該研究結論為TBM洞挖料的回收利用提供了新思路,也為膠凝砂礫石壩的建設提供了新材料。

      關鍵詞:TBM;洞挖料;膠凝砂礫石;骨料;可行性研究

    混凝土施工

      引言全斷面硬巖隧道掘進機(TBM,TunnelBoringMachine)進行挖掘作業,已成為長距離、高埋深、穿越特殊環境要求隧洞的首選開挖方案,在道路、水利、市政等眾多隧洞工程中得到廣泛應用。但TBM施工產生的大量洞挖料需占用大面積土地堆放,而且棄料難處理,又易引發災害,這些問題目前尚無較為妥當的解決辦法。膠凝砂礫石壩是近幾年發展創新的一種“宜材適構”的新壩型,因其對筑壩材料強度要求不高,能充分利用當地天然材料,因而不斷得到壩工界的推崇。將TBM洞挖料直接或盡可能多地用作膠凝砂礫石的骨料是一種值得探索的新思路。目前,針對TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的可行性研究尚未見相關報道。

      1TBM洞挖料

      TBM的破巖機理是擠壓破碎,掘進產生的TBM洞挖料由巖粉和大小不同的片狀巖塊組成,經過篩分試驗,洞挖料骨料最大粒徑為120mm,最小為0.16mm,如圖所示。TBM施工所產生的大量洞挖料經運輸設備運至洞外后,一般直接或轉運至指定的棄渣場堆放,待隧洞掘進完成后,對渣場進行整治,基本上形成永久的渣堆。近年來,隨著對環境保護的日益重視,一些有關洞挖料的研究成果已應用于工程領域。

      王紅等[1]通過仿真分析研究了固化道床中道砟的受力特性,欲將隧道洞挖料作為固化道床的骨料,得出采用洞渣生產的道砟能夠滿足軌道結構的穩定性和耐久性的結論;劉巍[2]將隧道洞挖料進行簡單加工用作路基填料,得出在洞渣摻量80%時具有良好的施工效果;Tokgoz[3]研究表明TBM廢料可用于蓄水區水庫的建設材料;趙志芳等[4]利用TBM開挖料完成了混凝土配合比試驗,得到了滿足設計指標要求的混凝土;Riviera等[5]探討了將隧道洞渣重新用作建筑材料所帶來的潛在利益;秦立鵬等[6]將洞挖料加工用于混凝土骨料,通過試驗檢測得出結論,隧道洞渣加工的碎石可以用于實體混凝土工程施工;陳浩[7]探討了利用隧道洞渣制備碎石的生產工藝。

      2膠凝砂礫石筑壩技術的發展及應用前景

      膠凝砂礫石是利用膠凝材料和砂礫石料,經拌和、攤鋪、振動碾壓形成的具有一定強度的材料,利用其修建的壩為膠凝砂礫石壩[8]。膠凝砂礫石筑壩(堤)技術是賈金生、劉寧等[9]于2009年提出的一個新概念,是一種新型筑壩技術。膠凝砂礫石壩是介于剛性體壩和散粒體壩之間的一種壩型,具有漫頂不速潰的安全特點。

      隨著膠凝砂礫石筑壩理論的形成及關鍵技術的不斷解決,該壩型越來越受到壩工界的普遍認同和推崇,是我國“十三五”、“十四五”期間水利部重點推廣的壩型,也是壩工界“宜材適構、宜構適材”筑壩理念的具體實踐壩型。該壩型目前已有應用,例如,山西大同守口堡水庫樞紐大壩是國內首座開工建設的膠凝砂礫石永久工程,也是水利部膠凝砂礫石筑壩技術的示范工程。守口堡水庫壩高61.6m,壩頂長354m,膠凝砂礫石填筑方量45萬,于2014年開工建設。近年來,膠凝砂礫石筑壩技術在四川順江堰、金雞溝工程,云南瀾滄江大華橋水電站過水圍堰[10]、四川岷江航電犍為樞紐工程防護堤等都有成功應用,國外突尼斯的梅萊閣壩也使用了膠凝砂礫石筑壩技術。

      3TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的必要性

      3.1TBM洞挖料在時間和空間上的利用

      20世紀80年代末、90年代初,我國引進TBM,率先在甘肅引大入秦、山西萬家寨引黃工程、蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程中使用。21世紀以來,TBM隧道掘進技術得到快速發展,在水利、鐵路、公路、市政等領域的項目中廣泛應用。特別是2015年月由中鐵重工研制的國產TBM的成功下線并投入使用,開辟了我國TBM從設備制造到使用的新道路,TBM項目如雨后春筍般的涌現出來,例如,鄂北調水、滇中引水、引淖濟遼、川藏鐵路、南水北調西線工程等項目。鑒于跨流域、長距離引調水項目中的隧洞工程大多采用了TBM掘進方法。

      一般長距離引調水項目為提高供水保證率都會在引調水主線路沿線設置若干調蓄水庫,這些水庫一部分可利用原有水庫,大部分需要新建水庫,新建水庫就需要大量的筑壩材料,這樣就從空間上為TBM洞挖料的利用創造了可能。例如,山西省中部引黃及配套縣域小水網規劃,沿線要修筑20多座調蓄水庫。調蓄水庫以小型或小型水庫為主,水庫大壩均為中或低壩,填筑方量一般在10萬左右。山西省中部引黃工程約600km的引水線路上設計有個TBM施工標段,產生的洞挖料大約為200多萬(松方)。將這些洞挖料盡可能多地用作沿線調蓄水庫大壩的筑壩材料是非常必要的。

      3.2環境保護與生態修復

      TBM掘進產生的大量洞挖料到目前為止仍以丟棄為主,棄渣一般選擇在離洞口1~3km范圍內的棄渣場堆棄。棄渣不僅占用大量耕地、林地,同時還存在垮塌滑坡、泥石流等安全隱患,進而造成嚴重的環境破壞和經濟損失,因此洞挖料的合理處置也是工程建設的一大難題。雖然目前有一些工程項目將洞挖料進行了簡單的加工利用,但利用率很低,且對洞挖料利用并沒有系統的研究和規范,因此洞挖料普遍仍采用棄渣場堆棄的方式處理。如果將大量洞挖料重新利用到工程建設中,使其變廢為寶,既保護了環境,修復了生態,又能消除安全隱患,可取得良好的環境效益。

      3.3經濟效益

      TBM洞挖料的堆放不僅占用土地,而且堆棄的渣場還要投入大量資金進行渣場治理,從而增加了建設投資。以山西中部引黃工程TBM2標為例,該工程采用雙護盾TBM掘進,隧洞開挖直徑5.06m,掘進長度20328m,每米巖石自然方20.10m,換算成松方約35.18m?倵壴20328×35.18=715139m,棄渣場征用的土地6.14hm。而關于土地征收補償費用中的要求為:耕地補償為被征收前年平均年產值的6~10倍;每一個需要安置的農業人口的安置補助費標準,為該耕地被征收前年平均年產值的4~6倍;以及土地征收的地上附著物和青苗的補償費等。因此,占用土地堆放洞渣的投入成本是較高的。如果將隧洞開挖洞挖料就近用于調蓄水庫等新建工程,與重新開采砂石料筑壩材料相比,可大大節約施工成本,從而提高工程本身的經濟效益。

      3.4社會效益隨著國家對生態保護要求的不斷加強以及對綠色施工的倡導,砂、石骨料等原材料資源日趨枯竭,形勢日益緊張。導致建筑行業原材料貨源愈發緊張,砂、石料價格普遍上漲,而且會愈演愈烈,進而會導致建筑行業供需失去平衡,最終影響經濟社會的發展。如果能通過研究,將大量洞挖料作為一種建筑材料重新用于工程領域,則可以緩解原材料資源日趨緊張的局面,為建筑行業乃至經濟社會的發展穩定保駕護航,貢獻力量。

      3.5施工新技術發展和應用膠凝砂礫石作為近年來較為熱門的筑壩新型材料,其倡導的“宜材適構”的筑壩理念,為后續工程原材的來源打開了思路。膠凝砂礫石骨料來源于當地的河床料或者其他的開挖料,原材來源廣泛,且不需篩分水洗,利用流程簡單[9]。TBM洞挖料來源于壩址當地開鑿導流洞或隧洞等產生的廢渣,原料來源地近且數量龐大,并且具有一定的強度。如果能將TBM洞挖料盡可能多地用作膠凝砂礫石的骨料,可進一步推動膠凝砂礫石筑壩技術的發展和應用,這在水利工程施工新技術發展中具有非常重要的意義。

      4TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料的可行性

      4.1抗壓強度試驗

      4.1.1試驗原材料

      SL678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》[8]中關于原材料顆粒料的要求規定,砂礫石表觀密度應不小于2450kg/m;最大粒徑不超過150mm;砂礫石中含泥量不宜超過5%,泥塊含量不宜超過0.5%,并避免泥塊集中;砂礫石中粒徑小于5mm的砂料含量宜在18%~35%,粗骨料中粒徑為5~40mm的含量宜為35%~65%。取有代表性的洞挖料進行品質檢驗,原材料取自山西臨縣,檢驗結果見表。由表可知,洞挖料各項指標滿足《膠結顆粒料筑壩技術導則》相關要求。經過篩分試驗,TBM洞挖料粒徑小于5mm的砂料含量最小為19.5%,靠近要求“宜在18%~35%”的下限,可考慮外摻一定量細顆粒料增加細粒含量以改善洞挖料的顆粒級配。

      4.1.2試驗方案

      基于膠凝砂礫石材料的品質要求,TBM洞挖料的利用從以下個方面進行:一是直接利用;二是摻入少量細顆粒料利用。試驗分為直接利用洞挖料和摻入8%細顆粒料的洞挖料大組,每組設計種膠材配比。其中,第種為山西大同守口堡水庫膠凝砂礫石大壩壩體采用的膠材配比,其余種膠材配比的設想思路為驗證利用更少的膠凝材料而使材料達到期望的抗壓強度值,因此其余種的膠材用量與前一種相比較則相應減少。

      4.2對比試驗

      因本試驗膠材配比設計思路來源于山西大同守口堡水庫的壩體膠材配比,為了更好的分析TBM洞挖料用于膠凝砂礫石的可行性,與山西大同守口堡水庫2014年月至2015年月進行的科研生產性試驗大試件抗壓強度試驗數據[11]進行對比。在守口堡水庫進行的科研試驗中,膠凝砂礫石大試件同為邊長450mm立方體試件,膠材用量采用水泥50kg/m、粉煤灰40kg/m。試驗用砂礫石為剔除150mm以上顆粒后的壩址上游河床開挖料及部分外摻石,共制作15組膠凝砂礫石試件,標準養護180d后進行抗壓強度試驗。

      混凝土論文范例: 土木工程建筑中混凝土結構施工技術

      5結論

      通過試驗可知,直接利用TBM洞挖料的試件抗壓強度能滿足導則要求,也滿足預期的C6強度等級;外摻8%細顆粒料的試件強度普遍高于直接利用洞挖料試件的強度,摻砂后的試件強度也符合預期設定要求,因此用TBM洞挖料直接作為膠凝砂礫石骨料是可以達到膠凝砂礫石強度標準。通過與山西大同守口堡水庫的壩體現場試驗對比可知,直接利用TBM洞挖料與摻8%細顆粒料,其抗壓強度總體都大于大同守口堡現場試驗結果,在強度低于守口堡試驗的情況下,水泥用量少于守口堡現場試驗水泥用量。所以,TBM洞挖料用作膠凝砂礫石骨料在滿足正常膠材用量條件下其強度是可以達到要求的。因此,TBM洞挖料用于膠凝砂礫石骨料是可行的,這種廢渣利用思路和方法值得推薦和深入研究。

      參考文獻:

      [1]王紅,郄錄朝,徐旸,等.隧道洞挖料在鐵路新型預制聚氨酯固化道床中的應用[J].鐵道建筑,2019,59(7):142146.

      [2]劉巍.高速公路隧道洞挖料物理改良路基施工技術研究[J].交通世界,2019(Z2):140141.

      [3]TOKGOZN.UseofTBMexcavatedmaterialsasrockfillingmaterialinanabandonedquarrypitdesignedforwaterstorage[J].EngineeringGeologyAmsterdam,2013,153(1):152162.

      [4]趙志芳,吳曉東.TBM開挖料用作混凝土骨料的試驗研究及應用[J].云南水力發電,2013,29(3):911,46.

      [5]RIVIERAPP,BELLOPEDER,MARINIP,etal.Performancebasedreuseoftunnelmuckasgranularmaterialforsubgradeandsubbaseformationinroadconstruction[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2014,40:160173

      [6]秦立鵬,劉志強,譚利華.隧道洞挖料加工碎石在混凝土中的應用[J].工程建設與設計,2019(2):124125.

      作者:王婧紅1,王利英1,王彥武2

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