某大型铁路工程处于偏远地区，环境恶劣、人口稀少、经济基础薄弱、交通基础设施配套严重不足，导致工程建材供应十分困难。基于环保角度分析，该铁路隧道工程建设具有3大特点。1)建设规模大、隧道弃渣量多。该工程隧线占比高达82.65%，隧道工程量大。据测算，铁路建设过程将产生约1.50×10⁹ m³的大量弃渣。处理这些弃渣需要征用大量永久用地，造成资源浪费，同样会对当地生态环境造成严重影响。2)生态脆弱敏感，环境保护要求高。该线路穿越原始森林、湿地、干旱河谷等多种脆弱生态敏感区，有众多珍稀保护野生动植物；沿线自然环境恶劣，生态环境敏感而脆弱。3)地形复杂、交通困难、渣场选址及建材供应困难。铁路沿线地势险峻，地形条件复杂，受峡谷地形和环境敏感区限制，弃渣场地设置困难。

以该铁路工程典型段为例，对该段落内隧道弃渣进行包括岩性、围岩强度、弃渣粒径分布等方面的分析，为该段弃渣利用研究提供原始资料。典型段落线路长151.31 km，区间内穿越6座隧道全长138.99 km，隧线比高达91.86%，预计出渣量为2.35×10⁷ m³。原设计方案在该段建立12座弃渣场，占地总面积达1.44×10⁶ m²。

1)岩性。典型段地层岩性十分复杂，硬质岩分布较广(见图1)。目前，根据该段地质勘探和深孔钻探揭示的地层岩性，发现该段隧道围岩岩性以花岗岩、闪长岩、片麻岩、辉长岩为主，其中隧道埋深附近以花岗岩和片麻岩为主。片麻岩占比54.00%，花岗岩占比40.00%，其他地层岩性，包括断层压碎岩、蚀变带和出入口的漂石、砂土等占比6.00%。

2)围岩强度。沿线钻孔岩石试验数据统计如图2所示。对于Ⅲ级围岩和Ⅳ级围岩，围岩抗压强度大于60.00 MPa的概率分别为100.00%和95.00%。对于不同岩性，花岗岩与片麻岩的岩石强度分布具有差别：片麻岩中有约1.80%的测点强度在52.50 MPa以下，7.30%的测点强度在52.50 MPa到60.00 MPa之间，剩下90.90%的测点强度都大于60.00 MPa；而花岗岩的抗压强度基本都大于60.00 MPa。按照《建筑用卵石、碎石》(GB／T14685-2001)^[9]，该隧道段落的弃渣绝大部分都能满足C30混凝土骨料的需求。

3)弃渣粒径分布。该段主要是花岗岩和片麻岩，施工工法为TBM和钻爆法。对掘进机产生的弃渣进行粒度分析时，最常见的拟合函数有Rosin-Rammler分布函数、Gandin-Schuhmann分布函数以及对数正态分布^[10-12]。其中，Rosin-Rammler分布函数和对数分布函数应用最为广泛，特别是在岩石力学研究领域，常被用于分析破碎及爆破方式的破碎岩渣。Rosin-Rammler分布函数见式(1)。钻爆法施工区间的粒度预测可采用KUZ-RAM模型进行计算^[13-14]，见式(2)。

式中：R_slag为筛下的残余质量分数；d_slag为粒径，cm；k_a为均匀分布常数，表征岩渣颗粒的分布均匀程度；k_b为拟合常数。

式中：d_c为特征块度，cm；n为均匀度指标；l_min为最小抵抗线长度，m；d_hole为炮孔直径；mm；w为凿岩精度的标准误差；r_h为孔距与最小抵抗线的比值；l_b为底板标高以上药包长度，m；l_s为台阶长度，m；`d_slag为颗粒平均直径，cm；F为岩石系数，中硬岩为7，多裂隙硬岩为10，少裂隙极硬岩为13；m_TNT为TNT质量，kg；V_hole为每个炮孔爆破的岩石体积，m³。

参考文献[11]，将相关参数代入公式(1)、公式(2)中，可计算出本次项目TBM法隧道弃渣约有81.00%满足骨料粒径要求，钻爆法隧道弃渣100.00%满足骨料粒径要求。

目前，国内隧道弃渣的利用方式较为单一，大多数是将弃渣用作填料处理，没有加工过程。利用方式主要包括开挖地段的凹地填料，路基、桥梁、挡墙等工程的回填用料，景观修建、人工景点等工程设施的修建，弃渣的利用价值不高^[15-19]。该铁路需要面对的实际问题是，一方面大量的弃渣简单地堆砌处理会对当地的环境造成严重的影响；另一方面，交通基础设施配套不足、运输困难等原因造成工程建设过程中供材困难。为此，需要扩大弃渣的利用方式，减少因弃渣堆积对环境造成的影响。弃渣利用技术依据弃渣性态划分可分为2大类：一是无害弃渣的利用技术，主要采用物理筛分、破碎等技术制备成满足性能需求的各类建筑材料，见图3；二是有害弃渣的利用技术，主要采用化学中和或物理隔断等技术制备成满足性能需求的各类建筑材料^[20-29]。有害弃渣的处理利用需考虑渣体对周边环境的污染问题，其处理对策主要包括防止地下水等摄取的影响和防止直接摄取的影响2大类，具体见表1。

考虑到铁路自身的建材需求，弃渣的利用方向规划应该优先满足隧道工程本体的建材需求。过剩的弃渣的处理，根据隧道弃渣的岩土类型、物质组成特点，结合工程本体特点和当地规划发展需求，可以将弃渣作为填充料使用，如石笼挡墙，或作为填料用于路基和填埋造地，也可以用以生产机制砂石骨料，用于全线桥梁、隧道等工程的混凝土骨料和相关的预制构件，如机制砖、预制梁板等，可供选择的利用方向如图4所示。

弃渣利用的前提是弃渣性态必须满足利用方向的性态需求。主要的利用方向可以归为2个大类，一类为三级处理厂(综合利用厂)输出的砂石料制品；另一大类的输出方向为传统工程，如混凝土机制砂石骨料、造地填料等。对于送往综合利用厂中的弃渣没有特殊要求，对于这部分弃渣，可以通过不同的加工方式，生产出腻子、装饰一体板、透水混凝土等各自满足要求的制品，用于满足当地的建材需求。对于另外的用于机制砂石骨料、造地填料等方向的弃渣，需要各自满足相关的规范，具体见表2。

1)弃渣处理层级。将处理厂分为3个层级：一级处理厂、二级处理厂、三级处理厂(综合利用厂)。一级处理厂、二级处理厂供应对应的隧道开挖工区的混凝土及其他工程，如桥梁、道路等所需的混凝土构件；三级处理厂将弃渣进行深加工，制成各类砂石制品，为当地建设提供建材。

一级处理厂为实现快速供给隧道工区所需的混凝土骨料，需要在隧道工区附近开辟一块合适的空间安置相关处理设备。同时，生产砂石骨料的时候产生的噪音，对周边的环境会有一定的影响。可在有条件的工区洞口附近推荐设立一级处理厂。在环境要求严格或者现场条件较差的段落，可不设立一级处理厂，与周围几个工区共同采用一个二级处理厂供给砂石骨料。二级处理厂的弃渣需求主要有2个部分组成，一部分是隧道开挖工区的混凝土预制件，包括预制仰拱、预制盖板等；还有一部分属于非隧道使用，包括桥梁、道路、造地等方面的混凝土需求。三级处理厂建立在全线的中间位置，以方便各隧道在掘进过程中将弃渣运输过来。

2)隧道弃渣整体调配流程。隧道工区产生弃渣后，应立即进行快速检测，在设有一级处理厂的工区，对于满足要求的弃渣送至一级处理厂进行碎石、加工。没有条件设立一级处理厂的工区，将弃渣送至相应的二级处理厂进行统一集中碎石、加工，之后将制作完成的骨料送回工区，生产混凝土。工区剩余弃渣优先送往相应二级处理厂，作为制作预制构件的材料。多余弃渣，送至相应造地点或其他利用方向点，若仍有剩余，即送至三级处理厂，对弃渣进行进一步加工、应用，相应流程图5。

对于一些化学检测不能通过的弃渣，参照第3.1节的有害弃渣处理利用方式，即：一些不含或少含放射性的弃渣，可在有害填料与无害填料之间设置隔离层，进行物理或者化学隔断，对这部分弃渣进行深埋；有害物质或放射性较强的弃渣，先进行化学处理变为普通弃渣之后，再进行调配，或者将这部分弃渣不考虑使用。

某大型铁路典型段共分布6座隧道，共计产生2.35×10⁷ m³弃渣。其中，因工程需要，已确定的有1.37×10⁷ m³弃渣会用于站场填方、生产混凝土所需的骨料、路基、道路等方向，还剩余9.74×10⁶ m³弃渣。若是按照原有设计将这些弃渣弃于12个弃渣场中，这不仅会对周边的生态环境造成一定的破坏，同时也造成对弃渣资源的浪费。

在对沿线生态环境、周边产业进行了实地考察之后，提出了相应的优化设计方案。根据弃渣场的位置条件、弃渣量、运输条件等因素，对原先设计为堆放弃渣的弃渣场进行一定的改造。例如，该段最大的一处弃渣场，见图6(a)，规划占地为一片草地。将弃渣弃于这里，势必会造成生态破坏。可将原定弃于此处的弃渣运往附近的临时弃渣综合利用厂，进行深加工。另有一处渣场，见图6(b)，位置靠近原有的茶厂，拥有较好的茶叶生长环境以及茶叶消费市场，可将该处弃渣场改建为茶园。图6(c)~图6(d)2处弃渣场，周边风景较好，可观赏性较高，可将这两个渣场改建为观景平台。具体各个方向的弃渣利用情况见表3。

本研究提出的方案中，典型段原设计方案中共设置12座弃渣场，通过与当地产业结合，对弃渣场进行升级改造，最终取消所有弃渣场，优化率达100.00%。

该段6座隧道共计产生2.35×10⁷ m³弃渣。其中，1.40×10⁷ m³弃渣用于隧道及工程间调配(隧道混凝土骨料使用6.38×10⁶ m³、预制构件3.00×10⁵ m³、站场使用6.86×10⁶ m³、工程间调配5.10×10⁵ m³)，总占比59.57%。1.76×10⁶ m³弃渣用于三级处理厂，用来制作各类加工产品，占比7.49%。剩余7.68×10⁶ m³弃渣用于造地或供材，占比32.94%。总的弃渣的利用率达到了100.00%。