隧道洞渣，即隧道工程中开挖出来的石料废渣。在以往的工程建设中，对于隧道洞渣人们往往弃而不用，仅进行堆放或填埋，这种处理方式导致隧道洞渣的利用率低，不能充分发挥它的价值。近些年来，我国的铁路工程建设逐渐向西南地区转移，2015年建成的成渝客专，2021年开工的渝昆高铁，2022年开建的成渝中线等等，这些工程受地形影响，存在大量的隧道工程。大量的隧道开挖势必会产生大量的洞渣废料，仅川藏铁路这一世纪工程，据统计就有1.4亿m3的洞渣废料[1-3]。可见，如果不能找到一些合理的途径来资源化利用这些洞渣废料，而是进行运输堆放则势必会对西南地区的生态环境造成危害，甚至改变当地地形地貌引发泥石流等次生灾害。

将隧道洞渣资源化利用，这是目前国内外研究的热门问题。2021年国务院发布《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》,其中就提到尾矿、洞渣等建筑垃圾的回收利用，要求提高利用率不断完善综合利用体系。李增庆[4]通过试验检测某高速公路隧道洞渣在路面结构中应用的一些关键指标，发现通过掺加外加剂等一些措施可以使洞渣制备成的碎石在路面结构中充分利用，并且满足相应的技术要求。王红等[5]发现通过在洞渣道砟单元块中浇筑特殊材料，使道砟缝隙得到填充形成弹性块状整体性结构，进而使得洞渣制作的道砟在实际工程中应用成为可能。陈书平等[6]在湖南省马安高速公路项目中开挖出35万t洞渣废料，最终实现加工利用的砂石骨料达到18.38万t, 利用率达到了52.5%。秦立鹏等[7]在济阳高速公路项目中将两座隧道开挖出的洞渣废料进行加工，生产出符合要求的机制砂和碎石，实现洞渣的回收利用，减少渣场占地约2万m2。Mlinar等人和Posch等人通过试验提出了隧道洞渣再利用的技术流程。隧道洞渣因隧道开挖线路的限制，具有性能波动大、岩石种类复杂、有害成分含量多的特点，这是造成其无法大规模回收利用的主要原因[8]。本文将从隧道洞渣可利用途径研究，隧道洞渣性能影响因素研究，隧道洞渣分类分级方法研究三个方面进行介绍。

1、隧道洞渣可利用途径研究

隧道洞渣作为一种可回收利用的资源，自20世纪起国内外学者就开始了对它的研究。最早关于隧道洞渣再利用的概念是国外学者在1953年提出的，但是当时的解决方案是大规模填埋，发现会对环境造成负面影响[9-10]。一直到90年代，随着环境问题的日益严峻和欧洲砂石骨料的匮乏，开始有学者研究隧道洞渣在垃圾填埋之外的再利用研究。Hp.Olbrecht等[11]在1998年开始对TBM洞渣进行试验，发现开挖出的洞渣部分可以回收加工用于建筑材料，部分力学指标偏低，无法回收利用。吴志俊等[12]将忻阜高速公路项目中开挖出的洞渣进行筛选加工，用于路基填料、圬工砌筑、隧道明洞仰拱填充、机制砂石、软地基处理等，共利用隧道洞渣162.4万m3,经济效益显著。隧道洞渣的回收利用途径主要为以下几个方面：加工成机制砂石，用作混凝土骨料；分类筛选后，用作路基填料或路面的结构层中；加工后用作铁路道砟；还可以用于制备建筑用砖等等。

1.1 机制骨料

1979年国家建委针对贵州省地方特点，出版了《山砂混凝土》一书；2002年，北京出台了《人工砂应用技术规程》,上海出台了《机制砂在混凝土中应用技术规程》;2011年颁布了国家标准《建设用砂》《建设用卵石、碎石》,对机制骨料的各项指标进行了规定，对后续隧道洞渣机制骨料的应用起到了推动作用。赵爽等[13]采用SEM显微镜观察了四种岩性洞渣石粉的外观形貌(见图1),发现他们的形状均不规则，有明显的棱角，粒径大小不一。Alnuaim Ahmed等[14]研究了隧道掘进机(TBM)开挖洞渣作为混凝土骨料的可能性，发现TBM洞渣机制骨料生产的混凝土的孔隙率和氯离子扩散系数略高于天然骨料混凝土，且骨料加工方法对洞渣混凝土的强度和耐久性影响不大。Klaus Voit等[15]以布伦纳基础隧道为例，采用了颚式破碎机、反击式碾磨机和立式碾磨机组成的三级破碎系统，以及包括清洗和筛分在内的高效湿法加工，将颗粒形状改进为优选的立方体形状，并显著减少了骨料中石粉的数量，最后指出，要成功实现洞渣的回收利用，必须对岩石质量进行初步研究，并对骨料加工厂和混凝土制造厂进行技术规范。Lin Gaohang等[16]研究了两种由隧道开挖洞渣凝灰岩洞渣和花岗岩切割废料加工制作的机制砂，并将其与标准砂对比，发现洞渣机制砂会降低砂浆的流动性，凝灰岩由于其内部结构更加致密，制得的机制砂浆强度更高，花岗岩机制砂浆强度接近标准砂制得的砂浆。

母岩的强度和质量直接影响机制骨料的性能，进而影响制成的混凝土的工作性能、力学性能、耐久性。隧道洞渣因其性能波动大，因此在加工制作成混凝土骨料前，一定要进行快速检测分析，包括强度、压碎值、碱活性等关键指标，然后分类筛选出合格的母岩进行加工。

1.2 路基填料或路面集料

高速公路项目中的隧道数量较多，隧道洞渣产量大，产出的洞渣可以用于路基、边坡的回填，沥青路面的混合料用集料，相比于加工混凝土机制骨料，在道路方面的应用对洞渣的要求没有那么苛刻。底江天等[17]通过击实试验、无侧限抗压试验等研究了泥岩洞渣和砂岩洞渣在路基填料方面的应用，发现泥岩力学性质较差，砂岩力学性质较好但黏聚力较差，将二者以合适的比例掺和在一起作为路基填料可以大大提升填料的各项性能，满足施工规范要求。杨祖涛[18]研究了花岗岩、凝灰岩、石灰岩洞渣在沥青路面下集料中的应用，从洞渣的快速检测及适用性研究、洞渣的加工质量控制、洞渣沥青集料的配合比设计、洞渣沥青工程应用的质量控制四个方面进行了深入试验研究，通过检测分析表明三种洞渣稳定度好，冻融劈裂强度高，均可以作为沥青中的集料，花岗岩洞渣需要改善与沥青的黏附性。Xie Zhiwei等[19]研究了砂岩、凝灰岩、泥岩洞渣碎石在静态和循环荷载下的力学行为，模拟道路上的长期车辆循环荷载作用，结果表明洞渣碎石是一种应变软化材料，软化行为与约束压力密切相关，循环荷载下洞渣碎石的破碎主要表现为表面破碎，此外还提出了经验模型能根据路面不同区域的应力状态来预测洞渣颗粒破损状况。

1.3 铁路道砟

我国铁路规范TB/T 2140—2008铁路碎石道砟规定：碎石道砟应选用开山块石破碎，筛选加工生产。隧道洞渣加工成的道砟碎石禁止用于铁路相关线路。这是因为早期人们对于洞渣利用经验较少，快速检测、加工等技术的不成熟，加之洞渣性能变化大有害物质含量多，而且道砟的稳定性关乎着铁路运输的安全性，所以禁止隧道洞渣用于生产铁路道砟。近些年来，随着我国对于新型道床技术的研究不断加深，使得隧道洞渣在道砟上的应用又成为了可能。聚氨酯固化道床(如图2所示)是最近研究的热门方向，它与传统道床相比具有较好的弹性模量和变形能力，能够有效吸收和分散列车所产生的动载荷。这种聚氨酯道床是在道砟中加入聚氨酯固化材料，然后这种材料发泡后可以填充道砟间隙使道砟黏结在一起，变得致密更加有弹性。这种新型道床改变了传统道床的受力方式，提高了道床的耐久性和稳定性，对洞渣在铁路道砟中的生产应用提供了巨大的希望。

1.4 其他方面

隧道洞渣还可以用于制作建筑用砖，造地，填筑等等。Hu Yuxiang等[20]研究了隧道洞渣滤饼(Filter Cake)在制作免烧砖方面的应用，以FC和废弃红砖粉为主要原材料并添加硅酸盐水泥和离子土固化剂，制作出免烧砖并做了无侧限抗压强度试验和耐水性试验，试验结果表明以适当的比例加入原材料和外加剂可以制作出强度高、耐水性好的免烧砖。石杨子[21]研究了隧道洞渣在成兰铁路沿线造地的应用，铁路沿线弃渣场从开始堆积洞渣到自然恢复需要经历修复-维护-再修复这样一个循环漫长的过程。魏平宽[22]根据山西当地地形地貌指出大量的隧道洞渣可以用于填平沟谷，造出大量平地，提供更多的可利用空间。

2、隧道洞渣性能影响因素研究

隧道洞渣加工流程烦琐，且性能波动大。因此，想要高质化、大规模利用好洞渣，需要先对隧道洞渣的性能影响因素进行研究。目前国内外对于隧道洞渣的性能影响因素研究主要分为以下几个方面：隧道的开挖方式对洞渣性能影响因素研究，隧道的围岩级别对洞渣性能影响因素研究，隧道围岩的岩性对洞渣性能影响因素研究。

2.1 隧道开挖方式对洞渣性能影响因素研究

目前隧道的开挖方式主要有两种，即钻孔爆破法(简称钻爆法)和掘进机(TBM,Tunnel Boring Machine)施工法。由钻爆法生产的洞渣称为钻爆料，由掘进机施工法生产的洞渣称为掘进料(TBM料),如图3(a),图3(b)所示。

Rossana Bellopede等[23]发现隧道的开挖方式很大程度上决定了隧道洞渣的几何特征。从掘进机施工法中得到的隧道洞渣比钻爆法得到的洞渣更难以加工成骨料并利用到混凝土中。这是因为掘进机在挖掘隧道时采用刀片挖掘，得到的洞渣大多为针片状，加工成的骨料不够圆润，对混凝土工作性能等产生不利影响。通过掘进机施工法获得的洞渣粒径大多数集中在1 mm～10 mm, 最大不超过100 mm。通过钻爆法获得的洞渣粒径大多数集中在100 mm～1 000 mm(见图4)。徐顺通等[24]发现采用钻爆法得到的隧道洞渣可以用于制作混凝土骨料；采用掘进机施工法生产的洞渣需要调整掘进机的刀具后才能将其用作混凝土骨料加工，但这样又增大了工程成本。赵志芳等[25]发现将掘进机施工法得到的洞渣进行加工后得到的骨料的级配不如钻爆法好，且颗粒形状较差，但是可以通过改善配合比添加外加剂，使其制得的混凝土各项性能满足要求，且成本支出上远比外购运输河砂要少得多。在清洁度方面，掘进机施工法得到的洞渣往往伴随有大量的泥土和石粉，而钻爆法得到的洞渣均为大颗粒块状，较为洁净。综上所述，可以看出不同的开挖方式开采出的洞渣的特点，钻爆法施工得到的洞渣粒径较大，洁净度高，颗粒形状好，适合作为混凝土骨料等建筑材料的母材。掘进机施工法得到的洞渣粒径偏小且呈现针片状，洁净度低石粉含量高，颗粒形状较差，需要经过加工整型后才能利用。

2.2 隧道围岩级别对洞渣性能影响因素研究

根据TB 10003—2016铁路隧道设计规范可以知道，围岩级别反映了岩石坚硬程度和岩石完整程度。规范中将围岩等级一共分为六个等级。其中Ⅰ级围岩代表着岩石结构完整，未风化，节理不发育，层状岩层厚度为巨厚层岩石饱和单轴抗压强度大于60 MPa。这种围岩开采出来的洞渣品质较为优良，加工出来的建筑母料各项指标容易满足规范规定[26]。Ⅵ级围岩即为最不稳定的围岩，开采出的洞渣品质较差，难以加工利用。张华永[27]通过岳武高速公路隧道工程项目发现Ⅲ级围岩，Ⅳ级围岩，Ⅴ级围岩开采出来的洞渣品质差异较大。其中Ⅲ级围岩开采的洞渣岩石物理性能好，饱水抗压强度高达80 MPa; Ⅳ级围岩出现弱风化，强度在50 MPa～80 MPa之间；Ⅴ级围岩出现风化较严重，强度在30 MPa以下，且含有砾质土。Ⅴ级围岩主要出现在隧道的进出口处。杨祖涛通过对四种隧道洞渣的试验检测，发现Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级洞渣质地坚硬，风化程度低，品质相对较好有利于后续加工使用。综上所述，依据围岩的级别对洞渣进行对应的分类，可以大致判断出洞渣利用的可行性，级别低的围岩开采出的洞渣品质优良，隧道进出口处的洞渣风化程度大，力学性能差，难以加工利用。

2.3 隧道围岩岩性对洞渣性能影响因素研究

我国地域辽阔，岩石种类繁多且分布广泛，例如东北地区和东南地区以花岗岩为主，而西南地区，内蒙地区以玄武岩为主[28]。不同种类的岩石其成分组成不同，开采出的洞渣的品质也有很大区别。下面介绍三种常见的隧道洞渣。

花岗岩中的主要矿物为石英和长石，主要成分为钾长石，含有少量斜长石，化学成分主要为二氧化硅。隧道工程中采用钻爆法开采出的花岗岩洞渣与矿山开采出的相比粒径较小，集中在200 mm～650 mm, 并且伴随有大量的石粉和针片状颗粒，且花岗岩洞渣洁净度较低，常伴随有泥土存在[29]。韦永正[30]发现花岗岩洞渣抗压强度高，但是压碎值容易超标，这是因为其中含有云母等有害物质。

石灰岩主要由方解石组成，主要化学成分为碳酸钙。杨祖涛等人发现石灰岩隧道洞渣结构致密，表面凸起较多，但饱水单轴抗压强度较低(<100 MPa),压碎值较高。石灰岩洞渣在破碎加工过程中还会产生大量粉尘，清洁难度大[31]。黄泽轩[32]对比研究花岗岩、石灰岩、辉绿岩等六种岩性岩石，发现石灰岩的可加工性最好，化学属性稳定，加工出的石粉活性指数高。

玄武岩的主要矿物组成有基性辉石和长石，次要矿物组成有橄榄石、角闪石、黑云母等，化学成分的组成有二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁等，其中二氧化硅含量最多，约占50%。玄武岩一般呈现多孔状，又称多孔玄武岩，与其他的骨料相比，玄武岩骨料强度高耐久性好，但因为其孔隙较多，又具有吸水率大，早期吸水快的特点[33]。李鹏[34]结合相关工程项目发现节理发育良好、质地坚硬的玄武岩开采出的洞渣品质良好，可以制备成机制砂并且其能够满足颗粒级配、含泥量等规范要求。

综上所述，对不同岩石种类对洞渣进行分类可以针对性的采取处理措施，对于花岗岩洞渣需要控制其中的云母含量，对于石灰岩洞渣需要采取特殊的加工方式保证粉尘含量少，对于玄武岩洞渣加工后的骨料则需要采取手段来控制其吸水率。

3、隧道洞渣分类分级方法研究

由于隧道开挖线路的限制，不能选择性地开挖隧道洞渣，导致了开挖出的隧道洞渣性能波动大，成分复杂。对开挖出的隧道洞渣进行快速检测，合理地分级分类堆放，可以将不同性能的洞渣区分开来，不仅有利于对洞渣的管理方便后续的加工使用，而且加工出的产品也更加均质容易满足要求。

李化建等[35]指出隧道洞渣的品质应考虑到隧道围岩级别和隧道岩石的物理化学性质，根据不同的利用途径进行相应的等级分类(见图5),小碎石、软石可以用于回填造地，低强度(<30 MPa)块石可以用于路基回填，中强度(30 MPa～60 MPa)块石可以用于修筑便道和路面垫层等，高强度(>60 MPa)块石可以用于制作混凝土骨料等，一些性能好的洞渣还可以用于生产铁路道砟等。

Claudio Oggeri等[36]指出不同的开挖方式、地质条件、岩石岩性，挖掘后生产的洞渣呈现出不同的物理和岩土特性，并概述了对隧道洞渣的分类以及每种类型对应的用途，通过5种不同的开挖方式和4种不同的隧道岩石岩性，将开挖出来的洞渣分为17个类型，并将这17个类型的洞渣分别在建筑骨料、路基路面、工业原料、土地复垦、回填五个方面的适用性作了评判。袁政成等指出不能单用隧道围岩级别来评判隧道洞渣的品质，需要借助隧道围岩的岩性，例如Ⅴ级或Ⅵ级围岩的玄武岩可以满足建筑骨料的技术指标，但是Ⅱ级或Ⅲ级围岩的页岩、泥岩却不适用于建筑骨料。Fabian Dengg等[37]同样指出开挖出的隧道洞渣应该进行分类，不同类别的洞渣利用途径不同，比如用于土地回填的洞渣对其要求很低且基本不需要复杂的加工，用于混凝土骨料的洞渣对其要求相对较高，要求主要涉及洞渣的几何、物理、化学性质。

目前，关于洞渣有害物质的含量检测主要依赖于室内试验及大型仪器设备，存在周期长、效率低、智能化程度低等问题，现有洞渣有害物质的检测方法满足不了工程进度和及时快速反馈的需求[38-40]。岩性识别主要有手标本鉴定、薄片鉴定、元素测试和矿物测试等方法。以上方法仅手标本鉴定法是最简单直接的岩性识别方法，可在工程中快速提供初步的识别结果。但手标本鉴定法对专业知识和经验要求较高，隧道施工现场人员较难满足要求。

4、结论和建议

1)隧道洞渣是一种可利用的自然资源，而且利用途径广泛。合理利用洞渣不仅可以减少对环境的破坏，助力实现双碳目标，节约土地资源等，而且可以节省原材料的成本费用、运输费用，经济效益显著。

2)隧道洞渣的性能影响因素主要包括：开挖方式，围岩级别，围岩岩性。开挖方式主要影响洞渣的粒径和粒型，钻爆法得到的洞渣粒径较大且洁净度高，TBM法得到的洞渣粒径偏小且针片状颗粒含量较多，洁净度低。围岩岩性主要影响了洞渣的力学指标，低级别的围岩开采出的洞渣力学性能相对较好，隧道进出口处的洞渣品质较差，易碎且强度低。不同围岩岩性的岩石化学成分和结构构造不同，开采出的洞渣品质差异较大。

3)隧道洞渣的分级分类对洞渣的高质化利用起着重要作用，针对不同品质的洞渣分别采用不同的加工方式和利用途径，不仅可以提高洞渣的利用效率而且得到的加工产品也更容易满足技术要求。隧道洞渣性能波动大、成分复杂，因此分类标准一定要从多方面进行考量，例如围岩级别、岩石岩性、力学性能、有害物质含量等等。

4)建议开展对洞渣关键技术指标的影响规律研究，能够实现施工时根据钻爆法钻探参数或TBM法掘进参数实时推算出洞渣的一些关键信息。同时在洞渣的快速检测技术上进行深入试验研究，制定洞渣利用的相关成套标准，使洞渣真正成为一种能高质化、快速化利用的自然资源。

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文章来源:方煜昕,王肖,方兴.隧道洞渣资源化利用研究现状及展望[J].山西建筑,2024,50(24):16-21.