煤矸石在依七高速公路路基工程中的应用研究

董建勋，徐玉晓，姜 利

(1.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266061；2.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 工程概况

依七高速全长117 km，采用全封闭四车道、全互通立交设计标准，设计车速100 km/h。依七高速作为黑龙江省道路高速系统的联二线，对黑龙江省东部骨架公路起到了至关重要的通道作用。

考虑依七高速沿线七台河市丰富的煤炭资源，且堆积了大量十年以上的已燃煤矸石，本项目本着“降低成本、节约投资、保护城市环境”的原则，在K102～K117路基填筑15 km路段全部采用煤矸石作为填筑材料，在有效减少工程造价的同时，推动了七台河地区煤矸石的合理开采利用，有效提高了保护了当地利用率。

2 原材料路用性能

2.1 筛分试验

级配良好的路基填筑材料是确保路基压实的关键，考虑不同矿区的煤矸石存在颗粒粒径的较大差异，在进行填筑之前首先需要对堆积的煤矸石进行筛分试验，本次不同矿区取样用的几种煤矸石的颗粒组成结果见图1所示。

图1 煤矸石颗粒级配曲线

从试验结果可知，不同矿区堆积的煤矸石存在明显的级配差异，部分矿区的煤矸石存在较好的级配特征。建议将煤矸石作为高速公路路基材料之前，应保证选用的煤矸石颗粒级配满足不均匀系数≥5和曲率系数在1～3的取值，对于级配不良的煤矸石可采取破碎处理，同时确保最大和最小粒径满足现有规范要求。

2.2 击实试验

煤矸石的干密度随粗细颗粒含量变化而变化，通过对选用的5 mm以上不同粗颗粒含量下的新兴矿二区煤矸石重型击实试验结果可知，随着粗颗粒含量的增加，煤矸石最大干密度表现出先增大后减小的变化规律，当粗颗粒含量达到60%时，具有最大干密度度。因此，在进行原材料选择过程中，可适当提高粗颗粒的含量。

图2 干密度随粗颗粒含量变化曲线

2.3 承载比试验

公路路基施工技术规范规定了不同等级道路路基填料承载比控制指标。从选用的几种不同烧失量的煤矸石承载比试验结果可以看出，煤矸石的承载比均明显大于规范要求的最大值8%，国内研究成果表明，考虑煤矸石和一般的路基填料存在差异，建议适当提高煤矸石承载比控制指标。考虑烧失量较大的煤矸石承载比明显较低的特点，结合本次试验结果，建议高速公路路基填筑用煤矸石承载比控制在25%以上。

表1 几种煤矸石承载比(CBR)结果

3 现场施工

3.1 施工工艺

为有效确保依七高速填筑的煤矸石路基各项性能满足本工程施工技术指标要求，避免施工过程中出现返工，在进行煤矸石路基大面积摊铺之前，需在施工现场按规范要求选择100～200 m的路基段作为试验段，结合项目试验段的现场施工数据分析，确定煤矸石的现场施工机械组合、最佳含水量、分层摊铺厚度、松铺系数等施工数据。高速公路路基填筑煤矸石完整的施工工艺见图3所示。

图3 依七高速路基施工工艺流程

(1)原材料选择

现场摊铺的煤矸石各项性能需满足现有规范要求，对烧失量大于15%的或软质煤矸石不得用于路基填筑；为确保煤矸石的压实效果和路基强度，煤矸石中含有的5 mm以上粗颗粒含量应控制在60%以上且承载比应控制在20%以上。

(2)煤矸石现场开采与运输

天然堆积的煤矸石山稳定性较低，煤矸石在开采过程中应有专人负责现场指挥，避免出现因煤矸石坍塌而造成机械损坏或人员伤亡的情况发生。

天然堆积的煤矸石存在含水量较低和粉尘较多的事实，在煤矸石运输过程中应采用帆布将煤矸石进行遮盖处理。对于温度较高的煤矸石应在开采现场采取就地洒水或晾晒的方式降低煤矸石的温度，施工过程中不得将温度大于50 ℃的煤矸石运输至施工现场，以免人员烧伤。

(3)填筑包边土

为了防止雨水、地表水等浸入路基内部或因裸露的煤矸石出现二次风化而造成路基整体稳定性降低，路基两侧一般需设置1～2 m宽的包边土，包边土的各项性能要求需满足路基施工规范要求，施工过程中包边土的摊铺厚度大15%～25%为宜(具体摊铺厚度需结合现场实际情况确定)，确保摊铺的包边土和煤矸石进行同步压实到位，提高路基的整体稳定性，待包边土和煤矸石分层填筑整平后方可进行同步碾压。

(4)现场洒水

考虑运输至路基填筑现场的煤矸石存在含水量较低的特点，为了确保煤矸石在最佳含水量下压实，提高压实效率，待煤矸石摊铺整平完毕后，需进行整体洒水处理，具体洒水量需根据试验段确定的最佳含水量进行计算，待煤矸石表层微干后方可进行现场碾压(实践表明，从洒水至现场碾压宜控制在20 min左右)。

(5)现场碾压

为了确保路基整体压实质量，现场压实需遵循“同步碾压、由外向内、先静后振再静”的原则。为提高煤矸石颗粒间的咬合效果，碾压前先静压1～2遍，然后利用振动压路机的中振频率对回填区域由外向内进行6～8遍的振动压实，碾压过程中的轮迹重叠30 cm，为了防止路基两侧的包边土压实不到位，需采用小型夯实进行二次夯实处理，待达到规定的碾压遍数方后测定路基的整体压实质量。

3.2 施工质量控制方法

(1)水袋法

现场填筑的煤矸石最大粒径一般控制在100 mm以内，在用水袋法测定煤矸石压实度之前，需采用室内重型击实试验确定煤矸石的最大干密度(该干密度为根据煤矸石颗粒组成换算后的最大干密度)。采用水袋法测定煤矸石干密度的过程中，试坑尺寸为煤矸石最大粒径的3倍以上，根据采用水袋法测定的试坑体积和煤矸石的总质量可计算出压实后的煤矸石湿密度，通过室内试验测的煤矸石试样的含水量，得到煤矸石的干密度，最终得到煤矸石的压实度。

(2)固体体积率法

固体体积率法是测定填石路堤压实质量常用的一种方法，煤矸石作为一种粗颗粒填料具有和填石路堤相同的粒径特征，且煤矸石的开口空隙和闭口空隙受现场压实影响较小。计算固体体积率的方法为煤矸石固体体积与现场实测试坑体积的比值，具体固体体积率计算方法见公式(1)所示。依七高速公路路基填筑现场实测满足压实度要求的煤矸石固体体积率范围为85%～89%之间。

(1)

式中：T—固体体积率/%；V—试坑体积/m3;mi—试样干质量/kg；pi—煤矸石毛体积密度/(kg/m3)。

(3)沉降量法

煤矸石路基在现场碾压过程中，随着碾压遍数的增加，分层摊铺的煤矸石的累计压实沉降量逐渐增加，最终沉降量会趋于一个满足压实度要求的稳定值，通过测定最后两遍的压实沉降量指标，可确定煤矸石路基是否满足压实要求。

通过现场试验路的铺筑及实测数据分析，得到了煤矸石路基压实质量控制参数，具体数据见表2所示。

3.3 路基施工质量检验

依七高速公路K102～K117段煤矸石路基填筑完成后，采用常规弯沉检测方法(贝克曼梁法)对施工结束后的路基进行了弯沉检测，实测结果见表3所示。实测结果表明，采用煤矸石填筑的路基具有强度较高、稳定性好的特点。

表2 煤矸石路基压实质量控制参数

表3 弯沉检测结果

3.4 后期效果评价

2011年9月通车至今，已经经历了8年的道路使用。依七高速高填方路段(最高填方约12 m，位于依七-鹤大高速立交填方路基段)采用煤矸石作为路基填筑材料，区域路段路基整体质量良好，高速公路车行道沥青路面及路基未发生不均匀沉降的问题，且高速公路路基与桥涵台背回填衔接段未发生台背不均匀沉降问题，表明煤矸石作为依七高速路基回填填筑材料是完全可行的。

4 结束语

煤矸石作为一种常见的固体废弃物，在堆积过程中不但占用了大量的宝贵土地资源且后期会排放出大量的有害气体。通过项目实践证明，煤矸石在依七高速公路路基工程中得到了成功的应用，解决了煤矿地区公路路基填筑取土难的同时，提高了煤炭废弃固体利用率，实现了经济建设和环境美化的双赢。