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海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

2022-05-05 11:17:22

[摘要]公路工程碎石场生产的机轧碎石,一般主要作为公路级配碎石基层施工集料,水泥混凝土以及沥青混凝土骨料等。海外公路施工项目往往需要项目自己建设碎石生产线来生产碎石保证全项目的碎石原料供应,可以说是项目成功与否的关键命脉,因此,准确合理地进行碎石场选址是项目筹备阶段工作的重中之重。文章以海外某高速公路项目为例,系统地阐述了关于各类碎石场选址的经验与方法,旨在为其它海外工程项目碎石场选址提供借鉴。

碎石场作为公路工程项目的后勤保障基地,在施工过程中为整个项目供应碎石原料。合理地对碎石场进行选址将对项目的施工质量、成本控制等方面起到积极作用。笔者总结多年实践经验,以海外某高速公路为例,充分结合岩石质量、原石储量、调配经济性等因素对碎石场选址方法进行探讨。

1 项目概况

1.1 工程概况

该高速公路项目路线总体呈由东北向西南走向,基本平行于该国6号公路布设,与另一条高速公路衔接,设置Modjo互通立交,终点位于Hawassa的东侧。项目沿线途经多个重要城镇,业主概念设计路线全长201.68km。

全线业主共划分为4个合同段,该项目是第4合同段 , 合同 起 讫 桩 号 为
MRK150+000―MRK201+680,路线长度为51.68km。

充分了解公路项目线路位置与长度在公路工程项目中是寻找碎石场的基础,碎石场选址最好要依附于拟建项目线路周边,同时还要考虑运输距离等碎石调配经济性问题(见图1)。

海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

1.2 沿线地质条件

项目基本沿东非大裂谷谷底展线,沿线地质构造主要与断裂和火山活动有关,地表覆盖层主要为第四纪粉土0.5~2m,部分区域下伏轻质火山灰,厚度3~15m不等。部分地段基岩出露,主要为第三纪火山岩,包括火山碎屑岩及部分喷出岩,局部路段可见砂岩、泥岩等沉积岩类。部分地段基岩出露地表或可见地质露头,主要为火山碎屑岩和
喷出岩,包括流纹岩、凝灰岩、粗面岩以及少量玄武岩等。基岩含大量气孔,颜色较深,为黑褐、褐红色,表层基岩风化较为严重。湖岸边缘存在少量砂、泥岩,风化严重。

对于沿线地质条件的详细调查,将为碎石场选址提供基础性依据。常见的凝灰岩、玄武岩均可作为公路项目所需的各类碎石资源。

1.3 碎石工程量

对于项目整体碎石工程量的统计,主要是用于计算碎石场储量是否满足供应需求,作为选址的1项重要衡量标准(见表1)。

海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

2 碎石质量技术要求

碎石质量是碎石场选址过程中的第1硬性指标。在寻找到料源后的第1要务是取样进行标准试验,质量达到规范要求再进行下一步判断。

(1)基层碎石质量技术要求。碎石中不含有黏土块、植物等有害物质。基层碎石质量技术要求如表2所示。

(2)水泥混凝土碎石质量技术要求。碎石应质地坚硬、耐久、洁净。岩石的抗压强度一般不应小于所配混凝土的1.3倍。水泥混凝土碎石质量技术要求如表3所示。

(3)沥青混凝土碎石质量要求。选用坚硬、耐磨、抗冲击性好的碎石。同时还要求洁净、无风化、无杂质,具有足够的强度。沥青混凝土碎石质量技术要求如表4所示。

海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

3 选址方法

3.1 常规踏勘方法

常规踏勘主要是技术人员在项目沿线15km范围之内现场踏勘寻找可见的料源,普遍采用以下5种调查手段:

(1)利用Google Earth或奥维互动地图下载该项目线路周边地图,对疑似料场进行标注,含已开采料场、明显山峰、断崖、明显河流,然后由技术人员驱车去现场进行核实。

(2)咨询政府土地管理部门,对已开采或正开采料场进行逐个核实。

(3)徒步勘察现场,对项目走廊带附近高地、山峰、河流进行排查,确认料场。

(4)拜访附近已完工或在建公路项目的参建者,以从中获得有价值信息。

(5)因一般城镇都会进行土木施工(如:房屋建设、排水施工等),而进行建设就需要机轧碎石料,可逐一对城镇施工点进行询问,从而顺藤摸瓜找到碎石来源。

通过以上5项常规调查手段,并综合考虑储量、运距等情况,项目明确了距离主线3.4km的K154碎石场、距离主线13km的Kosha料场作为项目级配碎石基层来源和部分低标号水泥混凝土料来源(见图2、图3)。

海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

对于岩石储量丰富的地区,通过以上5种常规手段基本上可以确定项目所有碎石场的初步位置;但对于地质较差、岩石资源匮乏的地区,常规调查手段往往难以满足项目需求。以MH项目而言,由于项目所在地区的地质条件限制,项目沥青、水泥混凝土碎石来源一直悬而未决,这就要求技术人员必须拓展其他手段来进行更深入的寻找。

3.2 取芯钻探技术

取芯钻探技术目前广泛应用于野 外工程地质勘探等领域,因其钻探进度 快、钻探结果直观等多种优点,在项目碎石场寻址时往往被采用。取芯钻探的主要设备是汽油发动机半自动式钻机,重量一般为500kg,可拆卸,钻进深度可达100m。钻杆为空心,可将芯样提出。选定钻探点位后操作人员将设备安装后开始钻探施工,方便快捷。

取芯钻探技术在碎石场选址中主要有以下作用:(1)对于已选定的碎石场,可以通过钻探探明石层深度、面积,从而计算出岩石的储量,同时也为碎石场征地面积划定范围;(2)用以测算覆盖层的厚度,从而为计算开采成本提供依据;(3)对于虽然地表岩石裸露但对地下情况难以判断的情况,采用取芯钻探可以得到直观的结果;(4)对于地表没有裸露岩石疑似地区勘探(见图4、图5)。

在常规手段探寻无果的情况下,项目引进取芯钻探技术,开始了沥青、水泥混凝土料源进一步的寻找工作。首先,从该国地质局获得项目区域内的地质勘探图,将图中所示的图例和英文标注进行解译,然后通过对比地质地图中的图例标识,在图中寻找符合使用条件的石材分布范围。一般可用于沥青、水泥混凝土碎石的实质多为玄武岩,因此在地质图中找到玄武岩的区域做好标记。

其次,因为地质地图中没有显示出任何现有的城市或道路,因此只能把标记的点根据地质地图中的比例尺转换到奥威互通地图中,然后再根据奥维地图中标记的点去往现场一一核实。最后,再对各处现场核实后的区域缩小范围选定,全方位考虑周边环境、运输便道、爆破影响等因素,对于没有钻探必要的区域进行排除,在剩余区域内进行取芯钻探。

在上述区域选址过程中,发现在主线K181正北方向约17km的某镇边有一片区域,地质图中显示为多孔玄武岩,后经实地考察,地表有部分裸露岩石确为孔隙较多的玄武岩,且周边较为空旷,距离现有道路较近,最终决定在此区域内进行取芯钻探。取芯结果较为满意,可以用做沥青、水泥混凝土料(见图6、图7)。

海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

在确定石料质量满足技术要求后,下一步进行的便是研究地下基岩的发育状况,探测基岩厚度与延伸区域,从而判断石料储量是否满足项目设计工程量。在山区地带,地质情况相对比较复杂,地层的变化大而且坡度相对较大,单用钻探1种勘察手段很难正确反
映真实的地质情况,甚至得出错误的结果。如果为提高勘探精度而加密钻探点,势必会延长外业施工工期,增加勘察费用。如果配以其他物探方法的勘察资料,不但可以减少外业施工时间和施工成本,而且可以大大提高勘察成果精度。由此,项目决定引入工程地球物理勘探技术来更加科学、合理地确定该碎石场是否可用。

3.3 工程地球物理勘探技术

地球物理勘探是以地下岩体的物理性质的差异为基础,通过探测地表或地下物理场、分析其变化规律,来确定被探测地质体在地下赋存的空间范围(大小、形状、埋深等)和物理性质,达到寻找矿产资源或解决水文、工程、环境问题为目的的一类探测方法。根据所探测对象物理性质的不同,可将地球物理勘探分为重力勘探、磁法勘探、电法勘探等多种方法。其中,电法勘探是以岩石、矿物等介质的电学性质为基础,研究天然或人工形成的电场、磁场的分布规律,也是物探方法中分类最多的1大类探测方法。而在电法勘探中又以电测深法最为常用,它的原理是用改变电极距的方法探测同测点在不同深度视电阻率的变化,以研究和确定不同电性岩层的电阻率值和埋藏深度。

为了更准确、合理地确定地下岩石的材质、范围,项目引入工程地球物理勘探中的电测深法来进一步对上述区域进行勘探(见图8)。

(1)结合之前取芯钻探结果布置工程物探测线。本次现场沿南北走向共布置南北、东西走向7条测线,每条测线工作参数均为:有效电极数60、最小隔离系数1、最大隔离系数9、温施隔离系数5、电极距5m、最大探测深度45m、测线长400m,4条测线总探测长度为2800m,总测点数为4560点。测量方式选择为温纳-施伦贝尔装置,现场测线布置情况如图9所示,其中黄色线为所选取孔位范围线,红色线和蓝色线为工程物探测线,所选取的红色测线用于验证地质钻探的结果,一条蓝色测线则为扩大范围的测线,最终会结合每条测线的解译结果来判定石料可使用范围。

(2)进行现场跑级测试工作。操作人员手中持两个电极(定义为A和B)向地下供入电流,并通过数字直流激电仪上(采用DUK-2A高密度测量系统)的两个电极(定义为M和N)测量供电所形成的电位差(△UMN)。代入式ρ=K˙△UMN/IAB,便可计算出电阻率ρ。式中K为装置系数,由各电极间的相互距离确定。一般地下并非单一均匀地层,由上式计算的电阻率并不代表某一地层的真电阻率,故视为视电阻率ρs。电极排列方式(装置)不同,其探测效果亦异。本次物探采用温纳-施伦贝尔装置,固定测点,不短扩大供电电极A、B的距离,使电流在地下分布空间不断扩大,相应的勘探深度则越来越深。其相应于不断增加的电极距(AB/2)的视电阻率曲线(电测深线),反映了电阻率随深度变化的情况。

(3)资料处理。把现场各测点所测得的视电阻率经数据格式转换、预处理、地形校正、正演和反演计算,最后得到视电阻成像色谱图。把格式转换好的视电阻率。经预处理消除坏点,保留数据较一致的数据点。并采用最佳拟合法,给定1个初始地电断面,在初始断面上计算视电阻率的理论曲线,将理论曲线与实测曲线作对比拟合,通过修改
参数获得最佳拟合效果,即高密度电法反演成像色谱图(见图10)。

海外公路工程项目的碎石料源勘察及加工场选址浅述

由于自然界中各种岩石的导电性能不同,因此其电阻率也有较大差异。一般情况下,粉质粘土电阻率为18~3 0 Ω ˙ m ; 杂 填 土 电 阻 率 为 4 0 ~55Ω˙m;而像玄武岩、石灰岩、花岗岩等石质较硬的岩石其电阻率数级一般在100~10000Ω˙m之间。如图10中反应出的黄色区域是电阻率显示较大的区域,即为可用范围。

最后,综合所有测线的电阻率数据,最终确定出勘测区域内岩石的可用范围,如图11所示。在图中,绿色区域为可用范围,面积约83000m²,经计算,地下基岩储量可以达到项目碎石工程量。至此可以确定,该片区域可以选用为沥青、水泥混凝土碎石场。此次物探结果也可为后续项目征地边界给定参考依据。

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4 经济性分析

项目前期碎石场选址阶段,碎石质量与储量无疑是选址的标准之一,但工程项目在把好质量进度的同时,必须要取得良好的经济与社会效益。因此,选碎石场址要充分考察其经济性。下面将从以下3个方面对拟选的K181Awala碎石场经济性进行探讨。

4.1 碎石调配运费成本

碎石场生产的沥青混凝土碎石最终会全部转运至沥青拌合站,经拌和后发往施工现场进行摊铺作业,因此,对于沥青碎石场与沥青混凝土拌合站位置的合理布局将会大大降低项目的运输成本。下面以拟选的K181Awala碎石场与前期发现的另一处K210碎石场与沥青拌合站的不同布置所产生的运费进行比较,从而选择最优方案。

(1)计算项目所需全部沥青混凝

土碎石工程量压实方按照比率折算为车载自然方为48.85万m³。碎石场生产的沥青混凝土碎石在公路工程中俗称为白料,经沥青拌合站拌和后的成品沥青混凝土俗称为黑料。

(2)参照当地运输单价,计算从不同碎石场运往沥青拌合的白料运费(以当地币计,目前汇率约为1元人民币=5.7当地币)(见表5)。

(3)计算沥青拌合站设立在K181与K201处的黑料运费(见表6)。

(4)汇总黑料、白料运费为总运输费用,对选用不同碎石场做直观比较(见表7)。

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由此可见,碎石场位置选在Awala要比选在K201处从运费方面节省2066万当地币。

4.2 开采成本

K210碎石场表面覆盖层深度达10m,按照开采48.85万m³碎石计算,宕口面积约为4万m²,按此得出需要移除废石料为40万m³,移除40万m³废石料费用最低为每方成本40当地币,即1600万当地币。Awala碎石场表面覆盖层深度仅为3m,因其石层厚度比K210碎石场小,因此宕口面积比K210碎石场要大,约为8万m²,移除覆盖层废石料所用的成本为960万当地币,比K210碎石场降低开采成本640万当地币。

4.3 其他方面

(1)K210碎石场场石料属于流纹岩吸水率较大,Awala碎石场场石料为玄武岩吸水率较小,根据吸水率不同及石料质量推断,Awala碎石场所生产的碎石在拌和沥青混凝土时将比K210碎石场生产的碎石节省0.2%的沥青用量,此部分沥青重量计算为63万t×
0.2%=1260t,按照项目订购沥青价格335美元/t,折合当地币为11000比尔/t,由此节省的沥青量折合当地币为1386万当地币。

(2)K210碎石场周边房屋密集,开采时无法使用爆破方式,只能采用破碎设备进行开采,生产功效低,直接导致轧石分包单价提高。

(3)考虑场地合理居中原则。碎石场场地的选择要根据路线实际,尽可能将碎石场选在标段的中段,降低机械运输成本和成品材料的运输损耗。特别是沥青混合料成品要保持150℃的温度,路途越近,运至施工场地时沥青混合料温度损失越小,以利于摊铺机的路面施工、碾压,并能保证路面密实度。

Awala碎石场处于主线K181处,距离主线中段K175桩号仅为6km,摊铺施工可以有效保证。

5 结束语

综上所述,公路工程项目在进行碎石场选址时首先要根据项目实际情况选定相应的选址方法,以碎石质量、岩石储量为判断标准,同时对调配运距、开采成本等方面进行全面经济性分析,最终合理确定碎石场位置,真正做到技术可行,经济合理。

[参考文献]

[1] JTG D50-2006. 公路沥青路面设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[2] 汪艺平. 公路工程采石场选址探讨[J]. 工程建设与设计, 2007(10):54-56.(本文来自中交一公局集团海外分公司李世杰,王晓龙)

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