隧道洞渣生产机制砂石工艺研究

隧道洞渣生产机制砂石工艺研究

魏海周

中国葛洲坝集团路桥工程有限公司 湖北宜昌 443000

摘要：隧道洞渣的合理化资源化利用是个值得研究的课题。目前还没有专门针对洞渣特点而设计，适合洞渣加工的生产工艺。本文通过对隧道围岩类型及等级分析，结合机制砂石质量要求，选择合理的设备配置和工艺流程设计，使生产工艺适合洞渣的加工利用，最终保证砂石骨料成品质量。

关键词：隧道洞渣；机制砂石；工艺

一、引言

隧道施工不可避免的要产生大量的洞渣，处理这些洞渣，需要大量征用永久用地，弃渣过程中将产生大量的运输费用。对于山区高速公路建设而言，在工程建设高峰期,全线混凝土施工方量日益增加，混凝土用砂调运困难，极易形成供不应求的局面，从而导致天然砂价格抬高但质量下降，影响工程质量和建设工期，同时因运距远还增加了社会交通压力。而隧道施工中，混凝土需求方量大。为解决洞渣处理困难等问题及缓解砂石料供需矛盾，考虑利用隧道洞渣加工成混凝土用砂石料，其以“就地取材，变废为宝”为原则，还能大幅提高经济效益和资源利用率，可谓一举三得。

二、洞渣生产线工艺流程

目前国内洞渣的加工主要是以矿山石料厂代工或自建砂石厂的方式，其加工方式及工艺水平与现有的矿山石料厂砂石联产工艺相当。整体来看，一些稍具规模的砂石厂，产量100~200t/h，一般采用两段破碎与筛子构成闭路的流程作业、再以洗砂机洗泥的工艺。少数砂石厂生产能力达到500~800t/h，采用的生产工艺较先进,自动化水平也较高。在湖南、湖北、福建等一些地区,具有一定规模的料场绝大多数采用砂石联产的三级破碎工艺，即颚式破碎机-->反击式破碎机（圆锥式破碎机)一>冲击式破，最后结合洗砂机或者收尘器进行除粉。

但就生产工艺而言，目前还没有专门针对洞渣特点而设计，适合洞渣加工的生产工艺。在没有充分考虑洞渣特点的情况下，盲目借用矿山石料加工生产线，使得洞渣成品在质量上难以控制，从而对后期洞渣成品的工程应用产生很大影响。

笔者经过多个项目实践，认为结合洞渣的可利用量，建厂成本及经济效益、场地建设及设备安装难度，结合隧道围岩类型及等级分析，选择合理的设备配置和工艺流程设计，采用合适的干法制砂工艺流程，既能确保洞渣生产系统的稳定、高效，又达到了节能环保的目的。

洞渣生产加工系统工艺流程为：隧道围岩类型及等级分析→洞渣及砂石供需分析→加工场场地比选→工艺流程设计及机械设备选型→加工场场地建设、机械设备安装→砂石料质量检测→机械设备调整。

三、洞挖料加工各流程要点

（一）隧道围岩类型及等级分析

隧道围岩等级的高低决定围岩完整性，但是围岩的岩石种类才是决定是否能制备碎石的关键参数。围岩等级主要由洞渣的破碎程度以及围岩种类决定，围岩等级低的洞渣不一定岩石强度低，围岩等级高的洞渣不一定就满足制备砂石料要求，实践证明公路隧道Ⅳ/Ⅴ级围岩的玄武岩作为砂石料原料也是可以满足规范要求的。围岩等级较高的页岩、泥岩、泥质灰岩不适合作为原料来生产砂石料。

母岩质量是碎石和机制砂质量控制的源头，所以母岩强度应符合《人工砂混凝土应用技术规程》JGJ/T241-2011 的规定：火成岩≥100MPa、变质岩≥80MPa、沉积岩≥60MPa。

另外为保证机制砂不具备潜在碱活性，还要对母岩进行碱活性检测，母岩应在进行碱集料反应试验前采用岩相检验碱活性的种类及所含活性矿物的类型和数量。当检测出母岩中含有活性二氧化硅时，应采用快速碱硅酸反应法和砂浆长度法进行碱活性检验;当检测出母岩中含有活性碳酸盐时，应采用岩石柱法进行碱活性检验。

根据隧道地质预报资料与设计资料进行对照，对洞渣的岩性、强度及风化程度进行判断，将岩石大致分成两类：一类是对风化程度高的岩石洞渣、岩石饱水抗压强度≤60MPa的岩石，一般加工成路基填料或者路基附属用浆砌片石；一类是风化程度相对较低的岩石洞渣，岩石饱水抗压强度＞60MPa的岩石，可以加工成碎石和机制砂使用。

所以，从源头优选洞渣在隧道掘进过程中，优选整体性好、性能满足要求的岩石用于加工机制砂石。当隧道施工进入破碎带、含泥地层、软弱地层，以及富水区段时，开挖的洞渣可作为路基填料，不用于砂石料生产。

（二）洞渣加工场地比选

洞渣砂石加工场平面规划应在充分调查工程所在地自然环境、地形地貌、地质状况、既有道路利用条件的基础上，根据生产线的数量、机制砂产量、机械设备特点等制定，并满足工厂化和信息化的管理要求。碎石加工场区规划需要根据母料供应和加工能力，充分考虑各功能区划分，尤其是要详细计算母料和成品存放区面积，确定碎石加工厂选址和占地面积。

为尽可能减少用地、保护生态、减少对附近居民的侵扰、降低运输成本，加工场地布设时主要考虑以下几点：尽量保护土地资源，避免新征临时用地；尽量将加工场地布设于隧道口与混凝土拌和站之间，避免洞渣和砂石料重复运输；与附近居民居住点保持200米以上的距离，避免加工过程噪音及粉尘扰民；电力供应方便，尽量降低加工成本。

场地建设时应充分考虑砂石料及洞渣堆放问题，提前规划好厂区车辆行走路线及调转车头位置，合理安排设备位置，充分利用现有的空间。一般情况下，按取石区、选料区（分拣区、合格母材存储区）、喂料区、加工区、半成品与成品存放区、检测区、计量区、废料区、检修通道和运输安全通道进行统一规划设置。

（三）工艺流程设计和设备选型

由于洞渣石料与矿山开采石料的特点不同，使得洞渣制备机制砂存在诸多难点。整体来看洞渣粉料及软岩、土块等杂质较多,最终导致机制砂的MB值偏大、石粉含量偏高，若不采取相应措施其成品将不适合配制混凝土的特别是高标号混凝土;

洞渣石块含泥等杂质会随掘进深度及隧道的具体围岩情况发生变化、石块尺寸波动也较大，加之部分洞渣岩石节理方面的原因最终引起机制砂粒形偏差，细度、MB值及石粉含量等指标不稳定,这对中碎阶段的破碎效率及干法除粉工艺都提出了新的要求;

由于60MPa及以上的洞渣石料强度还是存在波动，且有时强度偏高（最高甚至达到105MPa），加之受冲击破碎机破碎效率及方式的限制，导致机制砂整体偏粗、粒形差，级配不良（两头多、中间少)，最终导致机制砂混凝土和易性差且易泌水;

因此，为控制成品质量，须结合上述难点进行工艺流程设计和设备选型，使生产工艺适合洞渣的加工利用，最终保证洞渣成品质量。

公路洞渣主要通过碎石加工厂加工成4.75-9.5mm碎石、9.5-19mm碎石、19-31.5mm碎石。经实践，三级破碎工艺完全可以满足废渣加工机制砂石的要求，且采用干法制砂，绿色环保，生产的机制砂具有级配与石粉含量可控等特点。

洞渣经初步分拣后，由大料斗经过给料机筛选去掉含泥和风化岩石再传输到颚破机进行破碎，由皮带输送机运输到圆锥破或反击破进行第二次破碎，破碎后再输送到振动筛进行筛选，其中大于31.5mm的碎石经过返料输送带运至圆锥破碎机再次破碎，其余会经过立轴式破碎机再次破碎，最后再次通过振动筛和石粉分离机分离出不同规格的碎石、机制砂和石粉。可额外一个增加料仓，收集棒条给料机篦条下石料。洞挖石料水分较多，而且细料中含有大量的粉料（隧道施工中的钻渣、炮灰等），这些含水的粉料到振动筛砂筛网时是极容易堵塞筛孔的，因此将含水较大的细料通过篦条后收集到料仓。这里只需要额外加装胶带和一个料仓，加装后经过测算，雨天的生产效率可以提高30%左右，篦下的石料用在公路工程中的三背回填、路基的上路床，且用量不小。

洞挖料易含有钢垃圾，这些铁块进入高速运转的反击式破碎机易使耐磨件（板锤、反击板、边衬板等）遭到破坏，所以洞挖石料粗破宜选用颚式破碎机，过铁对它的损害相对要小的多。对于粗碎阶段，宜选择颚式破碎机、旋回式破碎机等；对于中碎阶段，选择标准圆锥式破碎机、中型圆锥式破碎机、反击式破碎机等；对于细碎阶段，宜选择短头圆锥破碎机等；对于磨碎阶段宜采用冲击式破碎机等。对于制备机制砂而言，细碎阶段和磨碎阶段可以合并为制砂阶段，一般选用冲击式破碎机即可。

孔径20mm以内筛网考虑菱形防堵孔筛网。由于洞挖石料含水率相对较高，二筛砂筛网若采用普通编织钢筛网，筛孔堵塞会相当严重，平均一小时左右就要停机近20分钟敲一次筛网，严重影响系统的生产效率。若使用菱形防堵孔筛网后4-6小时清理一次筛网，筛分效率有显著提高。

（四）设备安装及机械设备调整

该砂石系统一般无超重或大结构件，10吨以下钢结构转运采用25t吊车配合，10吨以上钢结构转运采用55t吊车配合。破碎及筛分设备全部采用55t吊车配合转运及卸车，吊装选用4个25t卸扣，4根φ32.5mm钢丝绳（绳长6m）。

胶带机等钢结构可利用公路主体工程的钢筋加工厂制作，制作完成后采用平板车拖运至加工场地安装。吊装前制定专项方案，按照施工技术措施规定的吊点、吊运方案司索。

棒条给料机一般都是水平安装，物料含有较大的水份的泥和粉时，棒条上的物料就会移动困难，考虑到洞渣往往比较潮湿，棒条给料机安装时适当将后支座垫高或前支座降低，加一点前倾的角度就可以提高移动的速度。

四、质量控制

洞渣的岩性、洁净程度、含泥量、含水率、破碎程度均对机制砂的成品质量产生很大的影响。需对洞渣质量进行检测，以保证砂石料质量。将开挖选择好的洞渣运输到场地内进行晾晒，等待洞渣彻底变干后方可运输至加工设备前加工，以减少因潮湿度导致的砂石料质量波动现象。

在粗碎阶段，重点控制破碎机的进料粒径和破碎机机腔开口，确保破碎粒径符合各项质量指标。在中细碎阶段，重点控制破碎机机腔开口，设备运行速度，确保破碎粒径符合各项质量指标。将针片状含量控制在质量指标范围内。在筛分阶段，重点控制骨料的超逊径、含泥量，以及检查筛网孔径、下料角度、料流情况、筛分机振辐等。在制砂阶段，立轴破碎机重点控制砂的细度模数、控制砂的级配连续。通过控制进入加工设备的进料量、不同骨料的颗粒比例、破碎机线速度、破碎机不同线速度的组合等来达到良好的制砂效果。设置棒磨机和立轴破整形粗砂，保证细骨料的粒形。在选粉阶段，选粉机通过料瀑控制、一次进风控制、二次进风控制、出风量控制四个调控单元，可以快捷有效的控制风量来保证成品砂的砂细度模数及石粉含量达标。

为保证成品料质量控制，砂石料生产过程检验按每班次进行一次，检验内容包括细度模数、颗粒级配、石粉含量、MB值等。成品骨料的堆存作到标识明确。同时控制混料，油污及杂物污染等。成品料仓取料时，尽量从两个以上的料口取料，尽可能将分离的骨料重新混合，确保级配优良。及时转运砂石料成品将加工出来的机制砂和碎石及时转运至混凝土拌和站或储料场，确保砂石料成品堆高不超过3米，避免出现颗粒离析。

五、结语

综上所述，洞挖料的加工要从原料优选、工艺设计、设备选型、设备安装、机械设备调整等方面进行分析调整，优化组织设计。在原料选择、粗碎、中细碎、筛分、制砂、选粉、成品储存等各个阶段进行质量控制，保证由隧道洞渣生产的机制砂符合标准，能够利用到施工生产中，从而保护环境，减少材料成本，提高经济效益。

参考文献：

[1]耿彪. 高速公路工程中隧道洞渣加工机制砂技术的应用. 陕西,宝鸡,中铁一局集团第五工程有限公司,2021.

[2]任毅. 隧道洞渣自产砂石料在施工中的应用. 山西,太原,中铁十二局集团第二工程有限公司,2021.

[3]张华永. 岳武高速公路酸性洞渣分类及加工技术研究.北京，交通运输部公路科学研究院,2019，（02）.

[4]邓涛，隧道洞渣制备机制砂及机制砂混凝土应用技术研究，湖北，武汉，武汉理工大学，2012。