TBM洞挖料用于胶凝砂砾石骨料的可行性研究

王婧红，王利英，王彦武

(1.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056038；2.山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

全断面硬岩隧道掘进机(TBM，Tunnel Boring Machine)进行挖掘作业，已成为长距离、高埋深、穿越特殊环境要求隧洞的首选开挖方案，在道路、水利、市政等众多隧洞工程中得到广泛应用。但TBM施工产生的大量洞挖料需占用大面积土地堆放，而且弃料难处理，又易引发灾害，这些问题目前尚无较为妥当的解决办法。胶凝砂砾石坝是近几年发展创新的一种“宜材适构”的新坝型，因其对筑坝材料强度要求不高，能充分利用当地天然材料，因而不断得到坝工界的推崇。将TBM洞挖料直接或尽可能多地用作胶凝砂砾石的骨料是一种值得探索的新思路。目前，针对TBM洞挖料用于胶凝砂砾石骨料的可行性研究尚未见相关报道。

1 TBM洞挖料

TBM的破岩机理是挤压破碎，掘进产生的TBM洞挖料由岩粉和大小不同的片状岩块组成，经过筛分试验，洞挖料骨料最大粒径为120 mm，最小为0.16 mm，如图1所示。TBM施工所产生的大量洞挖料经运输设备运至洞外后，一般直接或转运至指定的弃渣场堆放，待隧洞掘进完成后，对渣场进行整治，基本上形成永久的渣堆。

近年来，随着对环境保护的日益重视，对于洞挖料的处理及利用已有相关研究。王红等[1]通过仿真分析研究了固化道床中道砟的受力特性，欲将隧道洞挖料作为固化道床的骨料，得出采用洞渣生产的道砟能够满足轨道结构的稳定性和耐久性的结论；刘巍[2]将隧道洞挖料进行简单加工用作路基填料，得出在洞渣掺量80%时具有良好的施工效果；Tokgoz[3]研究表明TBM废料可用于蓄水区水库的建设材料；赵志芳等[4]利用TBM开挖料完成了混凝土配合比试验，得到了满足设计指标要求的混凝土；Riviera等[5]探讨了将隧道洞渣重新用作建筑材料所带来的潜在利益；秦立鹏等[6]将洞挖料加工用于混凝土骨料，通过试验检测得出结论，隧道洞渣加工的碎石可以用于实体混凝土工程施工；陈浩[7]探讨了利用隧道洞渣制备碎石的生产工艺。

2 胶凝砂砾石筑坝技术的发展及应用前景

胶凝砂砾石是利用胶凝材料和砂砾石料，经拌和、摊铺、振动碾压形成的具有一定强度的材料，利用其修建的坝为胶凝砂砾石坝[8]。胶凝砂砾石筑坝(堤)技术是贾金生、刘宁等[9]于2009年提出的一个新概念，是一种新型筑坝技术。胶凝砂砾石坝是介于刚性体坝和散粒体坝之间的一种坝型，具有漫顶不速溃的安全特点。

随着胶凝砂砾石筑坝理论的形成及关键技术的不断解决，该坝型越来越受到坝工界的普遍认同和推崇，是我国“十三五”、“十四五”期间水利部重点推广的坝型，也是坝工界“宜材适构、宜构适材”筑坝理念的具体实践坝型。该坝型目前已有应用，例如，山西大同守口堡水库枢纽大坝是国内首座开工建设的胶凝砂砾石永久工程，也是水利部胶凝砂砾石筑坝技术的示范工程。守口堡水库大坝坝高61.6 m，坝顶长354 m，胶凝砂砾石填筑方量45万m3，于2014年开工建设。近年来，胶凝砂砾石筑坝技术在四川顺江堰、金鸡沟工程，云南澜沧江大华桥水电站过水围堰[10]、四川岷江航电犍为枢纽工程防护堤等都有成功应用，国外突尼斯的梅莱阁坝也使用了胶凝砂砾石筑坝技术。

3 TBM洞挖料用于胶凝砂砾石骨料的必要性

3.1 TBM洞挖料在时间和空间上的利用

20世纪80年代末、90年代初，我国引进TBM率先在甘肃引大入秦、山西万家寨引黄工程、兰渝铁路西秦岭隧道工程中使用。21世纪以来，TBM隧道掘进技术得到快速发展，在水利、铁路、公路、市政等领域的项目中广泛应用。特别是2015年7月由中铁重工研制的国产TBM的成功下线并投入使用，开辟了我国TBM从设备制造到使用的新道路，TBM项目如雨后春笋般的涌现出来，例如，鄂北调水、滇中引水、引淖济辽、川藏铁路、南水北调西线工程等项目。

鉴于跨流域、长距离引调水项目中的隧洞工程大多采用了TBM掘进方法。一般长距离引调水项目为提高供水保证率都会在引调水主线路沿线设置若干调蓄水库，这些水库一部分可利用原有水库，大部分需要新建水库，新建水库就需要大量的筑坝材料，这样就从空间上为TBM洞挖料的利用创造了可能。例如，山西省中部引黄及配套县域小水网规划，沿线要修筑20多座调蓄水库。调蓄水库以小(1)型或小(2)型水库为主，水库大坝均为中或低坝，填筑方量一般在10万m3左右。山西省中部引黄工程约600 km的引水线路上设计有3个TBM施工标段，产生的洞挖料大约为200多万m3(松方)。将这些洞挖料尽可能多地用作沿线调蓄水库大坝的筑坝材料是非常必要的。

3.2 环境保护与生态修复

TBM掘进产生的大量洞挖料到目前为止仍以丢弃为主，弃渣一般选择在离洞口1～3 km范围内的弃渣场堆弃。弃渣不仅占用大量耕地、林地，同时还存在垮塌滑坡、泥石流等安全隐患，进而造成严重的环境破坏和经济损失，因此洞挖料的合理处置也是工程建设的一大难题。虽然目前有一些工程项目将洞挖料进行了简单的加工利用，但利用率很低，且对洞挖料利用并没有系统的研究和规范，因此洞挖料普遍仍采用弃渣场堆弃的方式处理。

如果将大量洞挖料重新利用到工程建设中，使其变废为宝，既保护了环境，修复了生态，又能消除安全隐患，可取得良好的环境效益。

3.3 经济效益

TBM洞挖料的堆放不仅占用土地，而且堆弃的渣场还要投入大量资金进行渣场治理，从而增加了建设投资。以山西中部引黄工程TBM2标为例，该工程采用双护盾TBM掘进，隧洞开挖直径5.06 m，掘进长度20 328 m，每米岩石自然方20.10 m3，换算成松方约35.18 m3。总弃渣量20 328×35.18=715 139 m3，弃渣场征用的土地6.14 hm2。而关于土地征收补偿费用中的要求为：耕地补偿为被征收前3年平均年产值的6～10倍；每一个需要安置的农业人口的安置补助费标准，为该耕地被征收前3年平均年产值的4～6倍；以及土地征收的地上附着物和青苗的补偿费等。因此，占用土地堆放洞渣的投入成本是较高的。

如果将隧洞开挖洞挖料就近用于调蓄水库等新建工程，与重新开采砂石料筑坝材料相比，可大大节约施工成本，从而提高工程本身的经济效益。

3.4 社会效益

随着国家对生态保护要求的不断加强以及对绿色施工的倡导，砂、石骨料等原材料资源日趋枯竭，形势日益紧张。导致建筑行业原材料货源愈发紧张，砂、石料价格普遍上涨，而且会愈演愈烈，进而会导致建筑行业供需失去平衡，最终影响经济社会的发展。

如果能通过研究，将大量洞挖料作为一种建筑材料重新用于工程领域，则可以缓解原材料资源日趋紧张的局面，为建筑行业乃至经济社会的发展稳定保驾护航，贡献力量。

3.5 施工新技术发展和应用

胶凝砂砾石作为近年来较为热门的筑坝新型材料，其倡导的“宜材适构”的筑坝理念，为后续工程原材的来源打开了思路。胶凝砂砾石骨料来源于当地的河床料或者其他的开挖料，原材来源广泛，且不需筛分水洗，利用流程简单[9]。TBM洞挖料来源于坝址当地开凿导流洞或隧洞等产生的废渣，原料来源地近且数量庞大，并且具有一定的强度。如果能将TBM洞挖料尽可能多地用作胶凝砂砾石的骨料，可进一步推动胶凝砂砾石筑坝技术的发展和应用，这在水利工程施工新技术发展中具有非常重要的意义。

4 TBM洞挖料用于胶凝砂砾石骨料的可行性

4.1 抗压强度试验

4.1.1 试验原材料

SL 678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》[8]中关于原材料颗粒料的要求规定，砂砾石表观密度应不小于2 450 kg/m3；最大粒径不超过150 mm；砂砾石中含泥量不宜超过5%，泥块含量不宜超过0.5%，并避免泥块集中；砂砾石中粒径小于5 mm的砂料含量宜在18%～35%，粗骨料中粒径为5～40 mm的含量宜为35%～65%。

取有代表性的洞挖料进行品质检验，原材料取自山西临县，检验结果见表1。由表1可知，洞挖料各项指标满足《胶结颗粒料筑坝技术导则》相关要求。经过筛分试验，TBM洞挖料粒径小于5 mm的砂料含量最小为19.5%，靠近要求“宜在18%～35%”的下限，可考虑外掺一定量细颗粒料增加细粒含量以改善洞挖料的颗粒级配。

表1 洞挖料品质检验结果

对洞挖料进行筛分试验，筛分结果如表2所示。

表2 直接利用洞挖料筛分结果

对外掺8%细颗粒料后的洞挖料进行筛分试验，筛分结果如表3所示。

表3 掺8%细颗粒料洞挖料筛分结果

对外掺的5 mm以下细颗粒料进行筛分试验，筛分结果如表4所示。

表4 外掺细颗粒料筛分结果

4.1.2 试验方案

基于胶凝砂砾石材料的品质要求，TBM洞挖料的利用从以下2个方面进行：一是直接利用；二是掺入少量细颗粒料利用。

试验分为直接利用洞挖料和掺入8%细颗粒料的洞挖料2大组，每组设计4种胶材配比。其中，第1种为山西大同守口堡水库胶凝砂砾石大坝坝体采用的胶材配比，其余3种胶材配比的设想思路为验证利用更少的胶凝材料而使材料达到期望的抗压强度值，因此其余3种的胶材用量与前一种相比较则相应减少，具体配合比见表5。

表5 单位体积胶凝砂砾石试件材料用量 kg

4.1.3 试验过程

制作胶凝砂砾石试件，每种配合比制备6个全级配边长为450 mm立方体大试件，同条件养护180 d。试件分4～5层制备，每层用平板振捣器振动压实。由于配合比编号4、8中胶结材料用量较少，试件胶结差，难以成型，因此实际试验为3种胶材配合比试件，如图2所示。试件抗压强度试验是在太原理工大学结构试验室进行，试验采用长春试验机有限公司生产的YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机，最大试验力5 000 kN。

图2 拆模后的试件

胶凝砂砾石配制强度[8]为

fcu，o=fcu，k+tσ[8]

(1)

式中，fcu，o为胶凝砂砾石的配制强度，MPa；fcu，k为胶凝砂砾石设计龄期的强度标准值，MPa；t为概率度系数，依据保证率P选定，本试验P取80%，其值相应为0.842；σ为胶凝砂砾石抗压强度标准差，MPa。本试验胶凝砂砾石设计强度为C6，σ相应为2.4 MPa。

4.1.4 试验分析

全级配大试件抗压强度见表6。由表6可知，随着水胶比的减小，试件的抗压强度也逐渐减小，水泥用量显著的影响着试件的强度。直接利用洞挖料的试件抗压强度最大值9.4 MPa、最小值5.6 MPa、平均值7.0 MPa。根据导则要求，抗压强度最小值大于或等于0.75倍的强度设计标准值时为合格品[8]，试件最小抗压强度为5.6 MPa，大于0.75×6.0 MPa=4.5 MPa，说明满足导则要求，也满足预期的C6强度等级，这表明用TBM洞挖料直接作为胶凝砂砾石骨料是可以达到胶凝砂砾石强度标准的。外掺8%细颗粒料的洞挖料试件强度普遍高于直接利用洞挖料试件的强度，这是由于掺砂后砂填补了骨料周围的空隙，完善了级配，因此强度增高。掺砂后的试件强度也符合预期设定要求。

表6 不同配合比下试件抗压强度结果 MPa

4.2 对比试验

因本试验胶材配比设计思路来源于山西大同守口堡水库的坝体胶材配比，为了更好的分析TBM洞挖料用于胶凝砂砾石的可行性，与山西大同守口堡水库2014年9月至2015年5月进行的科研生产性试验大试件抗压强度试验数据[11]进行对比。在守口堡水库进行的科研试验中，胶凝砂砾石大试件同为边长450 mm立方体试件，胶材用量采用水泥50 kg/m3、粉煤灰40 kg/m3。试验用砂砾石为剔除150 mm以上颗粒后的坝址上游河床开挖料及部分外掺石，共制作15个胶凝砂砾石试件，标准养护180 d后进行抗压强度试验。表7为大同守口堡水库大试件抗压强度结果。

表7 大同守口堡水库胶凝砂砾石试件抗压强度结果

将表6、7中的数据绘制成折线图，如图3所示。由图3可知，掺8%细颗粒料的洞挖料强度的整体趋势大于直接利用洞挖料的强度，且随着胶材用量的变化，抗压强度随之减小。直接利用与掺8%细颗粒料利用的抗压强度结果总体都大于大同守口堡现场试验结果，而其中由洞挖料作为骨料的试件抗压强度低于守口堡试验，此时胶材用量中水泥用量为30 kg/m3，低于守口堡水库50 kg/m3的水泥用量，但抗压强度依然大于4.5 MPa。所以说明，TBM洞挖料用作胶凝砂砾石骨料在满足正常胶材用量条件下其强度是可以达到要求的。

图3 不同配合比下试件抗压强度

5 结 论

通过试验可知，直接利用TBM洞挖料的试件抗压强度能满足导则要求，也满足预期的C6强度等级；外掺8%细颗粒料的试件强度普遍高于直接利用洞挖料试件的强度，掺砂后的试件强度也符合预期设定要求，因此用TBM洞挖料直接作为胶凝砂砾石骨料是可以达到胶凝砂砾石强度标准。

通过与山西大同守口堡水库的坝体现场试验对比可知，直接利用TBM洞挖料与掺8%细颗粒料，其抗压强度总体都大于大同守口堡现场试验结果，在强度低于守口堡试验的情况下，水泥用量少于守口堡现场试验水泥用量。所以，TBM洞挖料用作胶凝砂砾石骨料在满足正常胶材用量条件下其强度是可以达到要求的。

因此，TBM洞挖料用于胶凝砂砾石骨料是可行的，这种废渣利用思路和方法值得推荐和深入研究。