基于TBM施工的巖石耐磨性研究

劉克振　周慧廣　邢介奇　孫夢(mèng)醒

摘 要：隨著TBM在隧道施工工程中的普遍應(yīng)用，巖石耐磨性對(duì)施工的影響引起工程技術(shù)人員的日益關(guān)注。為了弄清不同巖石的耐磨性，應(yīng)用自主研發(fā)的耐磨儀對(duì)某隧道5個(gè)區(qū)段的巖石樣品進(jìn)行了耐磨性測(cè)試，并對(duì)不同巖石耐磨性進(jìn)行了等級(jí)劃分。

關(guān)鍵詞：隧道施工；巖石耐磨性；等級(jí)劃分

對(duì)于物質(zhì)耐磨性的研究在機(jī)械、金屬材料領(lǐng)域開(kāi)展較久，研究成果也非常豐富。相比之下，在巖石、土木與工程領(lǐng)域?qū)δ湍バ缘难芯窟€不多。研究巖石耐磨性的工作起步較晚，它是和采礦工程中巖石可鉆性（可鉆性表示巖石鉆進(jìn)的難易程度）的研究同時(shí)起步的。隨著我國(guó)大型工程對(duì)TBM的使用，隧道施工中與巖石耐磨性的關(guān)系引起了工程技術(shù)人員的關(guān)注，對(duì)巖石的耐磨性進(jìn)行了各個(gè)方面的研究。文章基于自主研發(fā)的耐磨儀對(duì)某隧道工程5個(gè)區(qū)間巖石經(jīng)行耐磨性測(cè)試，對(duì)各類(lèi)巖石進(jìn)行耐磨性劃分。

1 耐磨儀研制的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

1.1 巖石耐磨儀的設(shè)計(jì)原則

（1）耐磨儀各部件的剛度和穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)；（2）鋼針固定器應(yīng)當(dāng)與巖石樣品表面垂直，保證鋼針與巖樣表面垂直；并且鋼針針桿無(wú)彎曲；（3）鋼針上要求能夠承受一定的垂直荷載；（4）鋼針?biāo)揭苿?dòng)位移距離一定，以保證每組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果具有可對(duì)比性；（5）鋼針保持位移水平，推動(dòng)鋼針移動(dòng)的橫柄應(yīng)當(dāng)水平移動(dòng)，故橫柄與手柄以鉸接作為連接方式，以確定手柄對(duì)橫柄的推力維持在一定的水平度范圍內(nèi)；（6）鋼針必須具有固定的對(duì)應(yīng)硬度值和強(qiáng)度值。

1.2 巖石耐磨儀的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)此設(shè)計(jì)原則的要求，耐磨儀的主要參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)為：鋼針的水平移動(dòng)距離固定為1.0cm，鋼針上所加的固定荷載為7.0kg。整個(gè)儀器框架整體固定在車(chē)床上，以保證它在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)且具有足夠的穩(wěn)定性。所用鋼針的直徑為6mm，鋼種為合金45號(hào)鋼，鋼針的洛氏硬度為55，針尖為60°錐角形，耐磨儀的框架構(gòu)架用角鋼、鋼板做成，硬度和鋼度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

基于以上設(shè)計(jì)思想和原則自行研制了隧道TBM施工需要的巖石耐磨性測(cè)試試驗(yàn)儀。

2 試驗(yàn)步驟

（1）對(duì)應(yīng)于不同區(qū)間的每個(gè)箱子的每塊巖石編上8根鋼針，從1號(hào)到8號(hào)，8根鋼針?lè)乓粋€(gè)袋子中，并在袋子上編好巖石上的編號(hào)。（2）將奧林巴斯多功能顯微鏡調(diào)成100倍焦距對(duì)鋼針針尖的直徑進(jìn)行測(cè)量，讀數(shù)精確至0.00001mm。（3）找出鋼針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的巖石，將巖石砸成幾塊，前期做試驗(yàn)因?yàn)閹r石表面粗糙不平容易造成鋼針的脆斷，所以對(duì)砸好的巖石的表面都用磨平機(jī)磨平，固定好巖石，安裝好鋼針，緩慢放下砝碼，讓鋼針針尖和巖石剛好接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，看準(zhǔn)刻度，讓鋼針在巖石表面劃上1cm，一塊巖石劃上8根針。（4）再次將磨完巖石的鋼針至于顯微鏡下觀測(cè)，對(duì)鋼針磨損部分的直徑讀書(shū)記錄下來(lái)，讀書(shū)精確至0.00001mm。（5）以上兩個(gè)鋼針直徑的差值就是該次巖石的耐磨值，8根鋼針8個(gè)耐磨性差值，取平均值。最后，將耐磨性差值的平均值乘以10，即得到巖石耐磨性指數(shù)CAI。

3 數(shù)據(jù)處理

主要對(duì)某市隧道工程5個(gè)區(qū)間的巖樣進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。5個(gè)區(qū)間共有20箱，380塊巖樣。

本次試驗(yàn)中，我們自行設(shè)計(jì)的耐磨性儀器鋼針上所加固定荷載為7.0kg，鋼針為45號(hào)鋼，鋼針的洛氏硬度為55。因此根據(jù)巖石耐磨儀的主要性能和隧道施工巖石條件，提出某市隧道巖石耐磨性等級(jí)劃分表見(jiàn)表1。巖石耐磨性指數(shù)CAI值匯總表見(jiàn)表2。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某隧道工程5個(gè)區(qū)間的巖石的耐磨性研究，我們可以得出5個(gè)區(qū)間中粗?；◢弾r（微）為中耐磨性-極強(qiáng)耐磨性：（1）粗?；◢弾r為中耐磨性-高耐磨性；（2）粗?；◢弾r（中）為極低耐磨性-強(qiáng)耐磨性；（3）細(xì)粒花崗巖都為高耐磨性；（4）細(xì)?；◢弾r（微）為中耐磨性-強(qiáng)耐磨性；（5）煌斑巖為極低耐磨性-中耐磨性；（6）煌斑巖（微）為極低耐磨性-中耐磨性；（7）碎裂狀花崗巖為中耐磨性；（8）碎裂狀花崗巖（中）為中耐磨性；（9）花崗斑巖（微）中耐磨性-強(qiáng)耐磨性。

影響巖石耐磨性的因素有很多，巖石所含礦物成分種類(lèi)與各類(lèi)礦物的含量是影響巖石耐磨性的直接因素，也是主要的因素之一。通常情況下，巖石中硬度較高的礦物（例如石英、長(zhǎng)石、角閃石等） 含量越高，巖石的耐磨值就越大；相反，巖石中硬度較低的礦物（例如黑云母、白云母、方解石、綠泥石等）含量越高，相應(yīng)的巖石的耐磨值越小。巖石內(nèi)礦物硬度及其含量對(duì)決定著該巖石耐磨性的大小起著關(guān)鍵作用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量TBM施工工程實(shí)例，當(dāng)TBM在低-中等耐磨性的圍巖中掘進(jìn)時(shí)效率較高，而在強(qiáng)-特強(qiáng)耐磨性圍巖中的掘進(jìn)效率大大降低。通過(guò)巖石耐磨性研究，可以為更好地減少TBM刀具損耗，提高施工的經(jīng)濟(jì)性，并為施工技術(shù)提供重要的參數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：劉克振（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：地質(zhì)工程。