高速铁路混凝土拌合站布设和选型研究

(中铁第四勘察设计院集团有限公司工经处 湖北 武汉 430063)

一、前言

为了进一步提高社会经济发展，满足快速增长的客运需求，国家发展改革委、交通运输部、中国铁路总公司联合发布了《中长期铁路网规划》，勾画出了新时代“八纵八横”高速铁路网，截止至2019年初，中国已建成高速铁路里程达到了2.5万公里，高铁技术领跑全球，根据规划要求，预计2025年高铁里程将达到3.8万公里，高速铁路进入全面建设时期。

我国的高速铁路具有如下特点：

1.桥隧比重高。高速铁路的行驶速度通常可达到300-350km/h，为了保证行车的安全性和乘客的舒适性，对线路的要求非常苛刻，因此线路方案通常采用穿山架桥的方式，导致高速铁路的桥隧占比高。比如：京沪高速铁路全线桥梁长度约1140km，占正线长度比例达86.5%；武广高铁桥梁全长约460km，占正线长度比例达59.61%；郑西高铁桥梁全长250.23km，隧道全长76.85km，桥隧占比达78.23%。

2.质量要求高，混凝土消耗量大。高速铁路纵横中国版图，沿途地形多样，地质条件复杂，为了确保工程进度和施工质量，材料、设备的及时供应至关重要。而混凝土的消耗量占所有材料消耗的百分之六十以上，据统计，仅京沪高铁的混凝土消耗量就已经超过了3000万立方米，显然，这对拌合站的持续供应能力提出了更高的要求，因此合理的选址至关重要。

二、混凝土集中拌合站

混凝土拌合站是用来集中拌制混凝土的联合装置，由于其高效的生产效率，以及对质量的控制能力，常用于混凝土消耗量大、工期长的工程，因此高速铁路建设均采用了自建拌合站，自主生产和供应混凝土的方式。

(一)混凝土拌合站功能区划分

根据其功能特性，可将拌合站划分为混凝土生产区、骨料存放区、试验检测区、保障系统、办公区和生活区等。其中混凝土生产区是拌合楼和粉料存储仓的安装区，是拌合站的核心功能区域，其他功能区要加强与生产区的紧密联系，从而能够更好的发挥生产力。骨料存放区是一个材料存储区域，能够存储满足一定时期混凝土生产需求的骨料(砂石)，实际应用中会按照混凝土标号的不同设置一定数量的骨料仓。试验检测区会设置专门的试验室，主要针对用于混凝土生产的骨料进行性能检测，是保证混凝土性能关键。

(二)混凝土拌合站设备配置

拌合站的机械配置应与施工质量、安全要求相适应，并与施工组织相协调，注重发挥机械总体的最大效率，满足施工进度指标要求。

根据《铁路混凝土拌和站机械配置技术规程》(Q/CR9223-2015)规定混凝土拌和站主要设备配置如下：(1)配套主机：搅拌机应具备在规定时间内将混凝土物料搅拌成均匀混凝土的要求。为满足高速铁路供应需求，混凝土生产常选用强制式卧轴搅拌机或强制式行星搅拌机，搅拌机的型号和数量可根据混凝土峰值消耗量来确定。(2)储料系统：储料系统通常包括骨料储料藏、粉料罐、水池和液体外加剂等，用于储存各类骨料、水泥等物料，其容量宜设置为额定生产量的1.25～2.5倍，还应具备防潮、防水的能力。(3)供料系统：供料系统包括骨料、粉料、水和外加剂的供输设备，骨料输送一般使用斜皮带输送机、提升斗等，水泥及掺和剂的输送可采用斗式提升机、气动输送设备等，水等液体物料宜采用泵送。(4)配料与计量设备：配料设备需满足拌合站各类配料功能的需要。计量设备应包括称量斗、计量秤以及相应的操作机构，秤量精度应满足响应的精度要求。(5)气路系统与液压系统：气路系统主要包括空压机、储气罐、供气管路、气水分离器等。用于为混凝土拌制的正常进行，提供合适的供气压力和供气量，气路系统向搅拌机卸料们、骨料储料仓底门、计量斗底门或蝶阀，须适应相应气缸和装置的工作能力和效率。(6)电力、控制与信息系统：电力系统应包括动力配电、电力控制、保护控制、保护监控、照明等。除了应该满足相应的工艺需求外，还应符合相应的规范要求。供电电源应采用三相五线制，混凝土搅拌站的工点宜采用专用电缆引入。

(三)混凝土拌合站布设原则

高速铁路混凝土工程耗资巨大且工期紧张，合理的拌合站布设有利于节省投资和组织协调，因此混凝土拌合站的选址应遵循如下原则：(1)跨越大江大河的大跨度桥梁，在两岸应考虑分别设置混凝土搅拌站，原则上不考虑混凝土通过施工栈桥跨越河流运输。(2)为满足工期要求，特大桥地段混凝土搅拌站供应半径按不大于5公里考虑。其他地段混凝土搅拌站供应半径按不大于10公里考虑，供应半径最大的不得大于15公里。(3)混凝土搅拌站选址应充分考虑永临结合，有效利用预留工程、铁路货场、站坪、维修基地等。不能永临结合的混凝土搅拌站选址避开易积水和严重不良地质地点，并远离生态环境敏感区。(4)混凝土搅拌站的选点结合拆迁工程量、土建工程量、供料情况、运输条件、地形条件等因素，并按宜大不宜小，宜少不宜多的原则，经技术经济比选后合理确定配置方案。

三、高速铁路混凝土供运特点

高速铁路为线型工程，跨越区域地形多变，交通情况复杂，且由于高速铁路对混凝土质量要求较高，这对混凝土的供运提出了更高的要求。

(一)受峰值混凝土用量影响

1.桥梁工程。高速铁路桥梁梁部结构多为预制简支箱梁，因简支箱梁一般在梁场内完成预制，不列入全线桥梁工程混凝土峰值分析范围内，余下混凝土消耗主要分布在钻孔桩、承台、墩身及特殊孔跨工程上，可按以下公式计算桥梁工程峰混凝土需求。

Qmax=Qm×L/P

式中：Qmax—桥梁最高峰混凝土需求量(m3)；Qm—桥梁下部结构(钻孔桩、承台、墩身及特殊孔跨)每延米圬工(m3/m)；L—桥梁长度(m)；P—桥梁下部施工工期(月)。

2.隧道工程。隧道通常采用钻爆法施工，其主要混凝土混凝土消耗发生在衬砌阶段，根据“施组设计规范”中钻爆法施工进度指标，并结合施工组织设计确定的隧道工程施工进度，通常可按以下公式计算隧道工程最高峰混凝土需求量。

Qmax=P×Qm

式中：Qmax——隧道最高峰混凝土需求量(m3)；P—隧道进度指标(延长米/月)；Qm—隧道每延米圬工(m3/m)。

3.无砟轨道工程。高速铁路正线部分通常采用无砟轨道，其主要混凝土消耗分布在底座(支撑层)、道床板，根据“施组设计规范”中无砟轨道施工进度指标，并结合施工组织设计确定的施工进度指标，通常可按以下公式计算峰混凝土需求量。

Qmax=P×Qm

式中：Qmax—无砟轨道最高峰混凝土需求量(m3)；P—无砟轨道进度指标(延长米/月)；Qm—无砟轨道每延米圬工(m3/m)。

通过对多个高铁项目混凝土用量的统计分析，可得在各类地区各项工程的平均混凝土消耗量如下表1所示，供设计阶段分析使用。

表1 混凝土用量参考参数表

(二)受拌合站生产能力影响

混凝土拌和站设计生产能力应根据混凝土最大月施工任务量和高峰强度确定，并考虑备用。通过对多个高铁项目混凝土拌合站相关技术参数统计分析，可如下表2拌合站相关配置参数，可供设计阶段分析参考使用：

表2 混凝土拌合站配置参数表

(三)受运输车速度和拌合物初凝时间影响

1.混凝土运输车运输速度限制。根据《GBT26408-2011混凝土搅拌运输车》规定：混凝土搅拌运输车在运输途中，搅拌筒以(1～3)r/min的搅动转速转动，搅拌车最高车速不得超过50km/h。结合现场调研数据可得运输车运输速度如下表3所示。

表3 混凝土运输车运输速度

2.拌合物初凝时间限制。根据《铁路混凝土拌和站机械配置技术规程》(Q/CR9223-2015)规定：混凝土搅拌运输车在运输混凝土过程中，应控制混凝土拌和物从搅拌机卸出至浇筑完毕的最大延续时间，延续时间不宜超过表4规定，混凝土输送距离不宜超过20km。

表4 混凝土从搅拌机卸出至浇筑完毕的延续时间表

四、案例分析

新建合肥至新沂高速铁路某特大桥全长13.43km，全桥采用简支箱梁342孔(其中32m梁型317孔、24m梁型25孔)、特殊孔跨的(48+80+48连续梁)2联、(40m+72m+40m连续梁)2联、(60m+100m+60m连续梁)2联和(112m+228m+112m连续刚构拱)1联。混凝土主梁与钢混结合梁采用钢混结合段连接，长度6.0m，起到顺畅可靠传递各种荷载产生的轴力、弯矩、扭矩和剪力的作用。标准简支梁采用预制架设施工，连续梁采用挂篮悬臂浇筑施工，连续刚构拱采用“先梁后拱”施工方法。水中墩根据不同水深分别采用双壁钢围堰、单壁钢围堰、钢板桩围堰施工，陆上桥墩及基础采用常规方法施工。

(一)工程混凝土需求量分析

简支箱梁通常采用预制架设方式，所以本文不考虑简支箱梁的混凝土消耗，只考虑该桥基础、承台、墩身施工和连续梁浇筑所需混凝土的用量，经统计分析后，结果显示其混凝土总消耗量达到21.81万立方米，其中钻孔桩需用12.35万立方米、承台需用4.53万立方米、墩身需用4.14万立方米、连续梁需用0.79万立方米。根据施工组织安排，该桥主体结构施工工期按18个月编排，平均每月需用混凝土1.21万立方米。而钻孔桩、承台、墩身和连续梁的施工工期通常为8～10月，根据施工阶段的不同混凝土消耗速率也有显著差异，据此可将施工分为3个阶段。经过测算可知第一阶段单日峰值混凝土消耗量可达1211m3/日，第二阶段可达1392m3/日，第三阶段可达578m3/日，所以可按最高日消耗量1392m3/日来对拌合站进行布设和选型。

(二)混凝土拌和站的布设与分析

高速铁路混凝土消耗量巨大，所以通常采用大规模混凝土拌合站，但采用大规模拌合站必然导致运输距离增加，所以在满足供应需求的前提下应该均衡考虑运输距离和拌合站数量的设置。结合现场实际施工情况可知，型号2HZS60、2HZS90、2HZS120采用比较广泛，由表2可知，2HZS60日生产率可达768m3/日、2HZS90日生产率可达1152m3/日、2HZS120日生产率可达1536m3/日。根据工程实际并结合交通特点，为减少混凝土的运输距离和满足运输时间限制要求，提出两种设置方案：方案一：设置3处2HZS60型拌和站、方案二：设置2处2HZS120型拌和站，并进行技术经济比较。

1.拌合站建设费。根据国铁科法[2017]30号《铁路基本建设工程设计概(预)算编制办法》的规定,临时场站费用一般应计列场地土石方、地基处理、生产区硬化面、圬工等主体费用以及修建“大临”而发生的租用土地、青苗补偿、拆迁补偿、复垦及其他所有与土地相关费用。依据本概预算编制办法，结合最新的概预算定额，可计算出相应规模的拌合站建设费用：方案一为123.6万元/处×3处=370.8万元；方案二为158.9万元/处×2处=317.8万元。通过对比可知方案一比方案二建设费投资多53万元。

2.混凝土拌制费。根据《铁路工程基本定额》(TZJ2000-2017)，2HZS60型拌和站，对应预算定额YY-38，搅拌站生产能力≤60m3/h，其单价为199.92元/10m3；2HZS60型拌和站，对应预算定额YY-40，搅拌站生产能力≤120m3/h，其单价为145.97元/10m3。通过对比可知方案一比方案二每立方米混凝土投资多53.95元，总投资多1176.65万元。

3.混凝土运输费。根据《铁路工程基本定额》(TZJ2000-2017)，混凝土运输对应定额YY-51，混凝土搅拌运输车(容量)≤10m3，结合定额使用可进一步计算出每公里运输综合单价为18.6元/10m3。方案二比方案一的平均运输距离增加约2km，因此每运输1立方混凝土方案一比方案二少37.2元，合计投资比方案二少811.322万元。

综上所述，方案二对比方案一的总投资减少约418.328万元，故推荐方案二。

五、结束语

高速铁路建设对混凝土质量要求高，用量大，混凝土拌合站布设和选型的合理性直接影响项目投资和施工工期。由于高速铁路为线型工程，各工点的混凝土消耗量也受工程类型和施工阶段影响，因此应该结合项目实际进行深入的计算，对于混凝土需求较大的地区，应辅以大规模混凝土拌合站，节约拌制费用；对于混凝土需求量较小且里程较长的地区，应该综合考虑运输距离的影响。同时，也说明了工程经济专业技术人员不能仅仅局限于本专业的业务知识，还要进一步拓宽视野，研究和掌握新的设计思路和方法。