铁路隧道机制砂生产经济技术研究

房玉中，陈晓成，罗先刚，徐世均

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆　404100)



铁路隧道机制砂生产经济技术研究

房玉中，陈晓成，罗先刚，徐世均

(中铁隧道集团一处有限公司， 重庆404100)

摘要：随着国家工程建设的全面铺开，工程施工用砂(河沙)日益紧张，存在运距远、单价高等现象，给项目施工带来巨大的成本压力。以渝黔铁路天坪隧道进口段机制砂生产线为例，基于环境保护和经济发展的要求，对机制砂生产技术和经济效益进行研究，进一步推广其在铁路工程中的应用。

关键词：铁路隧道；机制砂；机制砂混凝土；环水保；经济

据统计，截至2014年底，我国铁路运营隧道已达11 516座，总长约10 482.152 km。目前在建铁路隧道4 500座，总长8 300 km；已建公路隧道12 404 处，累计长度10 756.700 km；已建成的各类水工隧道也超过10 000 km。砂是建筑基础材料之一，近年来砂的需求量一直在增长，而天然砂的开采面临着资源迅速减少及环境保护的压力。各地在保护资源、减少污染的大前提下，利用矿石、尾矿及河卵石生产机制砂，其被广泛用于各类工程中[1]。

在我国西南、中南等地，一些地区缺少天然砂石料资源，而这些地区正在开发建设，对机制砂的需求就更大，故迫切需要寻找新的砂源来弥补天然砂的短缺，而西南地区地层多为石灰石，石料及混凝土骨料储量丰富，如果在沿线采石制备机制砂，成本较低。因此，合理利用好当地丰富的资源，用机制砂取代天然砂，将是解决天然砂短缺非常经济的方法，也是形势所需。20世纪50年代修建狮子滩、上犹江、流溪河等水电站工程时，都曾建立机制砂生产系统。上世纪60年代映秀湾水电站工程采用棒磨机制砂。70年代乌江渡工程建成了规模较大的机制砂生产系统，生产的机制砂质优价廉。80年代后期，大化、岩滩、天生桥二级、漫湾、东风、五强溪、隔河岩、宝珠寺、江娅等大型水电站工程均采用了机制砂生产线，取得了较好的经济效益。但铁路建设大量使用机制砂时间不长，需要加强研究铁路系统机制砂生产线。机制砂生产线主体设备包括振动喂料机、鄂式破碎机、反击式破碎机、振动筛、集中电控和皮带输送机等。如何把生产线各种型号破碎设备与辅助设备进行组合，形成经济、实用的机制砂生产线，使之生产的机制砂成本低、质量优，拌制的机制砂混凝土能够满足铁路工程施工需要，应作为下一步的研究重点[2-5]。

渝黔铁路天坪隧道为单洞双线隧道，位于重庆与贵州交界的桐梓县境内，正洞全长13 978 m，平导长11 775 m，分为进口段、斜井、出口段3部分施工。该隧道沿线均为山区，地质主要是石灰岩，矿石资源丰富，没有天然砂。本文以渝黔铁路天坪隧道进口段机制砂生产线为例，从经济、技术等方面对铁路隧道机制砂生产进行研究，以确保铁路工程项目降低成本，增加效益[6]。

1机制砂母材要求

机制砂按技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类，Ⅰ类宜用于强度等级大于或等于C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度大于或等于C30、小于C60及有抗冻、抗渗要求的混凝土；Ⅲ类宜用于强度等级小于C30的混凝土。机制砂宜采用开采的新鲜母岩制作。母岩岩石抗压强度的要求宜满足Ⅰ类机制砂不小于80 MPa、Ⅱ类机制砂不小于60 MPa、Ⅲ类机制砂不小于30 MPa的要求。

根据渝黔铁路混凝土强度要求，需要Ⅱ类机制砂，对母岩强度要求不低于60 MPa。为提高经济效益，加工前需对母岩进行强度检测、筛选和清洗。通常，母材含土量每超过1%，会降低混凝土强度5%～10%，要想保持混凝土强度不变则水泥用量要增加5%。因此，对母岩进行筛选是减少水泥消耗，提高社会经济效益的一项重要途径[7]。

2机制砂生产线工艺改进研究

机制砂生产线包括给料机、颚式破碎机、反击破碎机、制砂机、传送带、振动筛、螺旋洗砂机等主要设备。设备选型要考虑设备的生产能力与系统匹配，某一设备的生产能力不应小于系统的能力，否则会限制系统能力的发挥；但也不应有过大的富余，否则会无谓增加固定设备的投入费用。此外，还需考虑生产线设备的节能性和经济性。

渝黔铁路天坪隧道进口段机制砂生产线设计用砂12万m3，年最高用砂7万m3，月最高用砂1万m3，80%砂供应量集中在2014—2015年。隧道施工过程中，月最高机制砂加工量为0.65万m3，日最高机制砂加工量为500 m3，每d最高生产工作时间为10 h(夜间不生产)，每h机制砂最高加工量为50 m3，折合重量为80 t(机制砂按照1.6 t/m3计算)，即天坪隧道进口处机制砂生产线的砂处理能力为80 t/h。实践证明，天坪隧道进口处机制砂生产线完全满足现场施工生产的需要。

天坪隧道进口段的机制砂生产线已在铁路施工中成功运用，其生产工艺也已经在实践中得到了检验，这里只探讨对原有机制砂生产线工艺的一些改进。以往在铁路工程施工中采用FG1000螺旋式洗砂机洗砂，而FG1000螺旋式洗砂机螺旋转速较快，现场一般为11转/ min，致使分级脱水时溢流速度过大，水洗过程中将0.075～0.15 mm档细砂冲走，导致机制砂级配不连续。为解决0.075～0.15 mm档细砂流失问题，天坪隧道进口段施工时增设了FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水仓，并安装了多档调节电气开关控制转速，以确保螺旋转速降下来，并从粗砂过滤后混水中含的细砂中再次提洗0.075～0.15 mm的砂子出来，且将其与粗砂混合，从而使机制砂颗粒级配断档得到了弥补，解决了机制砂级配断档技术难题[8]。

3机制砂及机制砂混凝土研究

3.1机制砂级配合规性研究

以往经验表明，机制砂某一粒径的缺失会导致生产的混凝土工作性能不足，故机制砂生产中保持其级配合规非常重要[9]。

为研究天坪隧道进口段机制砂工艺改进后其级配是否得到优化，需对机制砂进行采样筛分。首先关闭FG500螺旋洗砂机，采集3组机制砂；然后开启FG500螺旋洗砂机，采集3组机制砂。在实验室内对上述6组机制砂进行筛分试验，数据见表1。

表1　各档集料重量所占百分比

注：组1～3是关闭FG500螺旋洗砂机采集的数据，组4～6是开启FG500螺旋洗砂机采集的数据。

由表1可以看出，关闭FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水仓后，0.3～9.5 mm档砂重量占各档总重量的百分比基本没有变化，变化最为严重的是0.075～0.15 mm档砂。由此可以推测，开启FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水仓前，0.075～0.15 mm档砂流失最为严重；开启FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水仓后，0.075～0.15 mm档砂重量占各档总重量百分比明显增大，达到了回收0.075～0.15 mm档砂的目的，并使机制砂级配得到优化。

细度模数是表征砂粒径的粗细程度及类别的指标，故在生产中掌握细度模数就可以知道砂的粗细程度。

细度模数公式为：

式中：Mx为细度模数；A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15 mm筛的累计筛余百分率。

以上6组砂的细度模数计算如下：

由6组砂的细度模数可以看出，在增设FG500螺旋洗砂机和迂回式过滤水仓后，组4～6细度模数有所降低，但仍属于粗砂。根据现场采集的样本，发现为渝黔铁路天坪隧道进口处生产的机制砂基本上均为粗砂，极少数为中砂。

3.2机制砂混凝土研究

在拌制机制砂混凝土时，为验证工艺改进后生产的机制砂按一定配合比拌制机制砂混凝土后是否能够满足施工生产要求，现场对机制砂混凝土进行了试件制作和同条件养护。混凝土设计强度为C35，现场试配强度为42.3 MPa。

对4个混凝土进行了现场试配，主要是对混凝土水胶比和砂率进行调整，并从配合比、坍落度、7 d强度、28 d强度、56 d强度进行对比分析[9-10]。

第1组：水胶比为0.40的配合比，砂率42%，(砂率偏小)。

第2组：水胶比为0.40的配合比，砂率43%。

第3组：水胶比为0.42的配合比，砂率43%。

第4组：水胶比为0.43的配合比，砂率44%。

针对每组不同水胶比和砂率指标，分别配制混凝土，对实测坍落度、实测扩展度、7 d强度、28 d强度、56 d强度数据进行采集，采集的数据见表2～5，具体试验过程见图1～4[10]。

表2　水胶比0.40，砂率0.42时的实测数据

表3　水胶比0.40，砂率0.43时的实测数据

表4　水胶比0.42，砂率0.43时的实测数据

表5　水胶比0.43，砂率0.44时的实测数据

图1　进口段生产的机制砂

图2　拌制试件

图3　试件养护

图4　试件强度测试

从表2～5数据可知，在水胶比为0.40，砂率为0.42时，配置的机制砂混凝土实测坍落度为200 mm，扩展度为500 mm，均符合设计要求。从长期养护的试件看其强度也均符合设计和配置要求。其它几组试件虽然在坍落度和扩展度上满足规范要求，但配置的机制砂混凝土强度达不到现场试配强度要求。因此，生产中只要选取好配合比，机制砂配置的混凝土就可以满足施工规范要求。

4机制砂经济、环境、社会效益

4.1经济效益

天坪隧道进口段机制砂生产线投产后，设计用砂12万m3。施工中由于存在超欠挖，且主要是欠挖且比较严重，故实际用砂都在20万m3左右。采用自制机制砂成本为28元/ m3，而如果从市场上购买河沙则成本为120元/m3，其总价要高出自制机制砂约1 800万元。另外，当地机制砂价格为67元/m3，故即使在当地购买其总价也要高出自制机制砂约800万元。因此，天坪隧道进口段自建机制砂生产线可节约成本约800万元，经济效益巨大。

我国加入世贸组织后，我国施工企业遇到了前所未有的挑战。在一个开放的环境中，建筑市场孕育着巨大的商机，也潜藏着残酷的竞争，而建筑市场的竞争在一定程度上就是成本的竞争。施工企业必须通过强化管理降低工程成本，提高经济效益。只有在保证工程工期和质量的前提下，以低成本支持低价格，才能使企业在竞争中立于不败之地。

4.2环境效益

当今社会对环境保护的要求越来越高，任何一个企业在自身发展的同时，都不能够以牺牲环境为代价。机制砂生产过程中往往伴随着噪音扰民、粉尘污染大气、废水污染河流等现象。为此，天坪隧道在设计和选型时充分考虑采用噪音低、粉尘小的设备，设置了3级沉淀池和过滤设备，并在施工中安装水喷头、设置音障。

天坪隧道进口段机制砂生产线的过滤设备为改进工艺后引进的，主要由压滤机机架、滤布、滤板、液压站、压力表、液压油管、水嘴组成。过滤设备的主要作用是通过沉淀池将污水抽到过滤机过滤，使细砂石粉等小颗粒与水分开，排除的废水达到国家4类用水标准，过滤水可以反复利用，从而使日用水量由以前500 m3减少至20 m3，实现了施工生产污水零排放。过滤设备的压滤机及其排出的废水见图5、图6。

图5　压滤机

图6　压滤机排出的废水

4.3社会效益

渝黔铁路天坪隧道进口段机制砂生产线改进了生产工艺后，社会各方均给予高度评价，为公司在业内赢得了良好的口碑，也赢得了当地老百姓的热烈拥护，大大提高了公司的知名度。

5结束语

本文对渝黔铁路天坪隧道进口段机制砂生产线改进生产工艺后生产的机制砂进行了分析，发现机制砂级配良好，满足规范施工用砂要求。对机制砂拌制的混凝土试件进行了分组验证，结果表明，只要水胶比、砂率选取得当，生产的机制砂混凝土工作性能完全满足设计和施工规范要求。

另外，本文还对机制砂生产线生产、经济技术进行了研究，从经济、环保、社会效益等方面进行了论证。结果表明，进一步推广机制砂生产线在工程项目中的应用，对于保持企业在经营中立于不败之地相当重要。

参 考 文 献

[1]关宝树.漫谈矿山法隧道技术讲座[J].隧道建设，2015，35(10)：981-989.

[2]孙永涛．机制砂及其混凝土的应用研究[D].成都：西南交通大学出版社，2007．

[3]王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[4]王光明.浅谈新型建筑材料机制砂[J].建筑技术，2007，38(11)：849-852.

[5]AHMED A E，EL-KOURD A A．Properties of Concrete incorporating Natural and Crushed Stone Very Fine Sand[J]．ACI Materials Journal，1989，86(4)：41-424．

[6]艾长发，彭浩，胡超，等.机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应[J].混凝土，2013，1(279)：73-76.

[7]岳海军，李北星，周明凯，等.水泥混凝土用机制砂级配探讨与试验[J].混凝土，2012(3)：91-94.

[8]房玉中，谢国强，陈晓成，等.渝黔铁路天坪隧道机制砂生产关键技术研究[J].隧道建设，2015，35(9)：883-890.

[9]蒋正武，潘峰，吴建林，等.机制砂参数对混凝土性能的影响研究[J].混凝土世界，2011(8)：66-70.

[10]张会芝，刘纪峰.南水北调某标段全机制砂混凝土配合比试验[J].河南科技大学学报，2013，34(1)：64-68.

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

文章编号：1009-6477(2016)01-0113-05

中图分类号：U455.3

文献标识码：B

作者简介：房玉中(1983-)，男，湖北省钟祥市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-05-21

基金项目：中铁隧道集团一处有限公司科技创新计划项目(201304)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.025