基于隧道洞渣综合利用的碎石加工厂规划及设备选型分析

陈永进

中铁十局集团第三建设有限公司 安徽合肥 230601

在工程建设领域，砂石料供应问题越来越成为影响工程进度的主要矛盾，而隧道施工过程中，产生的大量洞渣又会造成巨大的环保压力。利用洞渣加工为砂石料，不仅可以解决砂石料供应问题，而且可以有效缓解环保压力。但传统的洞渣加工利用方法，一方面会造成严重的空气、噪声及水污染问题，另一方面加工出的碎石和机制砂质量不稳定，不能满足高速铁路工程建设需要。因此，工程上迫切需要一种优质高效的洞渣综合利用方法。

1 工程背景

新建池州至黄山高速铁路站前工程岭上村隧道出口、竹木岭隧道、半步岭隧道和金子坑1号隧道位于安徽省黄山市黄山区境内，隧道围岩以花岗闪长岩为主，弱风化的花岗闪长岩单轴抗压强度普遍在60MPa以上，是良好的碎石加工母料。工程所在地位于皖南山区，交通不便，且临近太平湖生态红线，环保压力大。安徽省内天然河砂较少，且合格率低，工程建设所需的河砂需从江西赣江及鄱阳湖调运，运距长、价格高且供应量无法有效保证。探索隧道洞渣综合利用，对于解决工程建设所需的砂石料供应，缓解弃渣导致的环保压力，降低工程建设成本具有极其重要的意义。

2 隧道出渣量分析

基于隧道洞渣综合利用的碎石加工厂母料来源受制于隧道围岩情况和开挖进尺，从围岩角度分析，Ⅴ级围岩洞渣不能用作碎石加工母料；Ⅳ级围岩需经分拣后部分用作碎石加工母料，考虑50%利用，Ⅲ级围岩全部可以用作母料。

表1 隧道出渣量计算

隧道总出渣量约79.4万方，其中可用做碎石加工母料的洞渣约40.7万方。

图1 可用做碎石加工母料的洞渣月产量

从开挖进尺的角度分析，Ⅴ级围岩月进度约45m，Ⅳ级围岩月进度约80m，Ⅲ级围岩月进度约120m，则可用做碎石加工母料的洞渣月产量如上图所示，由图可以，2020年6月，隧道开挖进入Ⅳ级围岩，可用做碎石加工母料的洞渣开始出产，月产量为1.7万吨，洞渣出产高峰期为2020年11月-2021年7月，月产量4-8万吨，2022年7月以后，隧道内不再出产可用做母料的洞渣。整个生产周期为25个月，其中高峰期为7个月。

3 碎石加工厂产能选型计算

隧道洞渣属于国家资源，在工程建设过程中，产生的洞渣可用于本工程建设，但不能对外出售，这就决定了在碎石加工厂的产能选型计算时，应重点考虑母料供应量决定的碎石加工厂产能以及为满足工程需要的混凝土需求决定的碎石加工厂产能。碎石母料供应量、混凝土需要量根据施工生产计划推算，生产混凝土的碎石和机制砂根据不同标号的混凝土的配合比推算。通过对已有数据的统计分析，洞渣加工为碎石过程中，可产出约50%的碎石、约35%的机制砂[1]。

图2 碎石加工厂产能

隧道洞渣产量受围岩等级影响很大，因而由隧道洞渣产量推算的碎石厂产能波动很大，高峰期达到2900吨/日，低谷期为400吨/日；由混凝土需求量推算的碎石厂产能则较为平稳，产能在1000吨/日上下波动。由此分析，可将碎石加工厂的产能定在1000吨/日。考虑作业人员休息及设备维修保养需要，碎石厂日运转时间按10小时考虑，高峰期日运转时间按15小时考虑，选择加工能力为100吨/小时的碎石加工生产线。

4 碎石加工厂建设

4.1 碎石加工厂占地面积

碎石加工厂占地面积需考虑母料存放区、生产区、成品存放区、生活区，另外由于高速铁路建设对原材料要求极高，碎石厂直接生产的机制砂需经水洗后才能用于铁路工程建设，因而在规划碎石加工厂占地面积时，还需要预留机制砂水洗用地。

碎石场洞渣存储区按最大月富余量考虑，即V=6531.6×30/2=97974m3，考虑1.35的松散系数，洞渣松方量为132264.9m3，按平均堆积高度6m考虑，洞渣存放区面积22044m2，即33亩。碎石存储区按最大周富余量考虑，即V=430.19×7/1.65=1505.67m3，按平均堆积高度3m考虑，洞渣存放区面积501.89m2，即0.8亩，规划占地面积1亩。机制砂存储区按最大月富余量考虑，即V=305×7/1.45=1472m3，按平均堆积高度3m考虑，机制砂存放区面积490m2，即0.7亩，规划占地面积3.5亩。石粉存储区按最大月富余量考虑，即V=225×30/1.4=4821m3，按平均堆积高度3m考虑，石粉存放区面积1608m2，即2.4亩，规划占地面积2.5亩。加工区按100×60m布置，占地面积6000m2，即9亩。生活区采用自建活动板房的方式，按35m×15m布置，占地面积0.8亩。机制砂水洗场地按10亩考虑。则碎石加工厂规划占地面积为59.7亩。

表2 碎石加工和存储量统计表

表3 碎石加工厂选址经济必选

4.2 碎石加工厂选址

为减少征地费用，降低环保压力，碎石加工厂原则上宜选择在设计弃渣场处，同时还应考虑母料至碎石厂以及生产出的碎石、机制砂到拌和站的运输距离[2]。

本着经济环保原则，本工程初步选址两处，进行详细的经济必选，最终确定选址。

岭上村隧道出口弃渣场运输费和便道修筑费用741万元，半步岭隧道进口弃渣场运输和便道修筑费用583万元，综合比选，碎石加工厂选址半步岭隧道进口处弃渣场。

4.3 碎石加工厂设备选型

为确保加工的碎石和机制砂能满足高铁建设需要，经充分调查，选择如表4所示碎石加工设备。

4.4 碎石加工厂水电配置

经测算，碎石加工生产线所有机械设备功率约为1200kW，考虑到办公、生活及其他设备用电，整个加工厂的设备功率约为1400kW，计划选配1台800kW、1台630kW的变压器，从最近的接火点架设专线引入，满足生活和生产用电需要。

碎石加工厂用水通过打井取水，综合考虑施工用水和生活用水，以满足碎石加工生产一天和清洗车辆和生活用水为标准，打钻出水量为9m³/h的水井，并配备了满足出水量的抽水设备，存入有效容量为90m³的蓄水池[3]。

5 碎石加工厂生产

5.1 碎石和机制砂加工工艺

表4 碎石加工厂设备配置表

图3 碎石和机制砂生产工艺流程

洞渣主要通过碎石加工厂加工成5-10mm碎石、10-16mm碎石、16-31.5mm碎石、机制砂和石粉五种产品。

洞渣经初步分拣后，从各工点运输到加工厂，由大料斗经过给料机筛选去掉含泥和风化岩石再传输到鄂破机进行破碎，由皮带输送机运输到圆锥破进行第二次破碎，破碎后在输送到

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矿粉分离机分离处不同规格的碎石、机制砂和石粉。碎石经过整形制砂一体机破碎整形后运输至料仓。其生产工艺如图3。

5.2 碎石加工厂平面布置

碎石加工厂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。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[4]。本工程碎石加工厂平面布置如图4。

图4 碎石加工厂平面布置图

5.3 效益分析

本工程隧道总可利用方量约40.7万方，预计可生产碎石44.2万吨，考虑项目自用后，约盈余碎石9.9万吨；预计可生产机制砂30.9万吨，考虑项目自用后，约盈余机制砂7.38万吨。该碎石厂计划7月份投产，前期需外购碎石约4.5万吨，外购河沙3.1万吨。

根据隧道围岩条件推算，单日最大洞渣加工需求量为2900t，峰值期为2021年2月，单日加工需求量大于1000t的月份为2020年11月-2021年7月，高峰期共12个月，计划生产周期为25个月，高峰期占比48%。

按混凝土需求量推算的母料最大加工需求量为1263吨，峰值期为2021年1月，单日加工需求量小于1200d吨的月份占生产周期的92%，综合考虑选择产能100t/h的碎石加工生产线，高峰期日生产时间按12小时考虑，日产量1200吨，满足碎石需求量要求。

6 结论

（1）基于隧道洞渣综合利用的碎石加工厂需要从母料供应和混凝土需求两个角度综合分析选定碎石加工产能。

（2）碎石加工厂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。

（3）总结出一套完善的碎石加工工艺流程和厂区平面布置，并初步进行了效益分析，可以为同类工程提供有益参考。