煤矸石在绕城高速公路建设领域中的应用

刘欢 LIU Huan

（中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄 050000）

0 引言

许昌绕城高速位于河南省许昌长葛市，属于平原地区，周边地势平坦，且均为基本农田，该地区取土困难，距离郑州新郑市取土点约50km，距离禹州市可取土点约45km。同时河南省每年5 月至9 月份为该地区雨季，持续时间长、降雨量大，使用土方资源作为填料时，容易造成已填筑路堤积水翻浆、土体软化，严重制约了施工进度。

但是许昌禹州市煤矿企业众多，煤矸石是采煤选煤过程中排放的副产品，按来源可分为掘进矸石、洗选矸石和自然矸石三大类，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一，既污染环境，又占用土地，据统计许昌范围煤矸石库存约300 万方，并且每年以100 万方数量递增。

经本项目试验检测、路基试验段总结验证，煤矸石具有板结性高、强度高、稳定性好的优点，同时施工不受雨天影响，路基填筑检测方法简单，鉴于此特性，本项目提出使用煤矸石代替土方填筑路堤。

1 煤矸石路堤可行性研究

1.1 结构承载力

煤矸石CBR 值高，一般可以达到20%～35%，远高于高速公路路基施工规范要求的CBR 最小值8%，同时也高于各类土的CBR 值；压碎值大，一般可以达到20%～30%，高于一般同类材料。

1.2 路基强度

煤矸石属于复合材料，原料中含有三氧化二铝、二氧化硅、三氧化二铁等活性物质，具有一定的板结作用。因此煤矸石路基强度远高于土路基，并且具有沉降均匀、弯沉值小的优点。

1.3 受自然条件限制

煤矸石填料时具有多孔疏松的结构，在遇到下雨天气时，雨水能够及时渗透排除，不影响后续施工。与填土路基相比受自然条件限制小。

1.4 对环境影响

许昌绕城高速公路建设理念是创建“河南省绿色低碳交通试点示范项目”“河南省工建协绿色建造（施工）示范工程”和“中施企协绿色建造施工示范工程”，本项目利用煤矸石作为路基填料，变废为宝，充分利用了有效资源，同时减少了煤矸石对环境的污染，有利于环保，符合项目绿色建造理念。设计煤矸石路基机构如图1。

图1 煤矸石路基设计图

2 施工工艺

2.1 层厚控制

采用“路基层厚控制刻度尺”进行层厚控制，确保每次填筑厚度不超要求，保证了压实质量。

2.2 含水量控制

采用包边土、封层及盲沟等技术措施，控制煤矸石层的含水量，防止其塌陷和冻胀。（图2）

图2 盲沟大样图

图3 工艺流程图

2.3 压实度控制

通过羊角碾和振动压路机的配合使用，使得较大粒径煤矸石充分破碎并重新就位，保证压实度均匀并能达到最佳值。

2.4 抗环境因素控制

路堤边坡设置包边土边坡、封顶层，以利封水、排水和抵抗自然力对路堤边坡的风化作用。

3 工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 施工前准备

施工前，对路幅范围内原地面表层腐殖土、表土、草皮等进行清理，按要求整平压实，压实度不小于90%。

3.2.2 测量放样

填筑施工前，由测量人员放出线路中线、边线、加宽线，并定好中桩位置，同时采用50m 钢卷尺复核线路宽度。

3.2.3 打格备料

填筑前首先用石灰线打出卸料方格网，结合运输车运料的立方数，确定每个方格大小及所卸料车数，收料人员按照格线进行备料。若填料含水率较低时，采用洒水措施，提前在存料场内洒水闷湿或下路堤内喷洒；若填料含水率过大时，采用旋耕犁翻松晾晒。

3.2.4 包边土施工

未经充分氧化与陈化的煤矸石用于下路堤填筑时需采取封闭措施。并应符合下列规定：①每填筑2-3m 应设置300mm 厚的细粒土隔离层，路堤顶面应进行封闭处理；②应采用细粒土进行包边防护，包边土应与煤矸石同步施工，宽度宜不小于2m，包边土底部0.5m 范围宜采用透水性填料。

3.2.5 摊铺施工

填筑前首先放出线路中桩和填筑边线，每10m 钉出边线木桩，为保证路基边缘的压实度，边线应比设计线每边宽出50cm，边线内2.5m 范围内独立网格，填筑路基填土。在场地中洒出方格网，按自卸汽车每车的方量和松铺厚度，计算方格尺寸，以便现场领工员指挥车辆进行按顺序倾倒填料，根据现场地形由低向高分层进行填筑。

填料含水率较低时，应及时采用洒水措施，洒水采用存料场内提前洒水闷湿或路堤内喷洒，填料含水率过大时，采用旋耕犁翻松晾晒。

3.2.6 羊角碾碾压

煤矸石摊铺完成后，需使用羊角碾进行碾压，碾压的速度不宜过快，必须符合规范标准。

填筑施工前，由测量人员放出线路中线、边线、加宽线，并定好中桩位置，同时采用50m 钢卷尺复核线路宽度。

3.2.7 平地机精平

首先用推土机初平，再用平地机精平，填层目视平顺。为保证每填层的平整度及层厚的均匀，路基边、中、边每隔15m 钉摊铺层厚桩纵横挂线，进行厚度检查核实。每一层填筑时均须调整横纵坡，以实现路堤顶层2%横坡及线路设计纵坡。煤矸石粒径大于150mm 的进行人工清除，禁止出现超粒径的填料。

3.2.8 机械碾压

摊铺整平，松铺厚度、平整度符合要求后开始碾压。根据本项目93 区路基试验段总结得出，煤矸石松铺厚度为27cm，碾压完成后23cm。

压实顺序应按先两侧后中间，先静压后再强振的操作程序进行碾压。压路机的最大碾压行驶速度控制在4.0km/h 以内。各区段交接处，应互相重叠压实，纵向搭接长度2m，沿线路纵向行与行之间压实重叠1.0m，上、下两层填筑接头应错开3.0m。以保证无死角、无漏压，确保碾压的均匀性。土体范围与煤矸石衔接处不得重叠碾压，防止压实系数不同引起机械侧翻事故。（图4）

图4 碾压厚度控制

3.2.9 静压收面

煤矸石下路堤强振碾压作业完成后，采用压路机静压收面。静压收面前，检查压路机轮胎气压是否正常，确保其稳定性；调整振动频率和振幅，以使压路机能适应路面的硬度和厚度；静压收面时，根据路面情况，控制压路机行进速度；根据路面平整度，控制压路机静压的压力；对于平坦路面，采用单向收面；对于局部不平坦路面，采用正反两个方向交替进行静压。

3.2.10 沉降差检测

根据相关规范及图纸要求，现场按照规定进行沉降差检测，要求沉降不大于2mm，并委托驻地办监理负责抽检。

沉降差检测流程：在煤矸石下路堤检测面横向布点，每40m 设置一个检测断面，每个断面布设4 个点，同时准备一块钢板（规格采用10cm*10cm*1cm，长* 宽* 厚）放置在测点上。先用振动压路机来回振压1 遍把钢板压入下路堤检测点位，记录高程；再次来回振压1 遍，记录高程；各测点在振压前后的高差，即测点的压实沉降差。（图5）

图5 沉降差检测示意图

4 主要材料及设备

4.1 主要材料

煤矸石作为高速公路路堤填料，应符合如下要求：

①煤矸石作为路基填料，从强度和承载力考虑，应选用贮存时间较长，粒度均匀，便于回填的煤矸石。当大块料过多时，应利用机械加工成小块，保证级配良好，确保碾压后的密实度。

②煤矸石是介于土与石之间的一种填料，根据填石路基规范要求，路堤填料粒径小于15cm。

③膨胀性的煤矸石占混合料的比例不得大于50%；石料强度不应小于15MPa；严禁使用泥结煤矸石。

④采用的煤矸石耐崩解性指数应大于60%，硫化铁含量宜小于3%。

⑤烧失量不超过20%，有机含量不超过10%，承载比试验CBR 值大于8%。

⑥包边土不得使用膨胀土，宜采用塑性指数大于12以上的粘土。

4.2 主要设备（表1）

表1 主要材料表

5 效益分析

5.1 经济效益

本线路两侧均为基本农田，不能取土，最近的土场运距约45km，土资源费10 元/t，运费0.8 元/km·t，本项目所需路堤填筑材料40 万方，压实土系数1.8t/方，计算成本约40*10*1.8+40*45*0.8*1.8=3312 万元。

使用煤矸石作为填料时，煤矸石无资源费，运距40km，本项目所需路堤填筑材料40 万方，运费0.8 元/km·t，压实系数2.2t/方，计算成本40*0.8*40*2.2=2816 万元。

通过对比，煤矸石作为填料时共节约成本3312-2816=496 万元，经济效益显著。

5.2 技术效益

通过使用检测沉降差控制煤矸石填筑质量，沉降差小于2mm，使煤矸石填筑的质量得到了有效控制，保证了路基的施工质量。

5.3 社会效益

经施工验证，本工法缓解了运土压力，减少了雨季对施工进度的影响，施工功效更高，能够保证工程的高质量、高标准要求，受到了业主、监理单位的一致认可和赞扬，对类似路堤填筑施工具有很好的借鉴和指导意义。

6 结语

本文从可行性研究到施工器具、施工工艺、产生效益等分析了煤矸石路堤填筑的可行性。目前，该施工方法已应用于许昌绕城高速公路XCTJ-3 标路基下路堤的施工并取得了显著的经济效益、技术效益和社会效益，为类似工程提供了具有价值的参考实例和经验。