引漢濟渭秦嶺隧洞巖石耐磨性與三軸強度的相關性試驗研究

劉 戀，郭建平，王 華

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院， 四川 成都 610072；2.西南交通大學 土木學院， 四川 成都 610031)

1 前 言

我國水利水電工程最早使用TBM施工是在20世紀70年代云南西洱河一級電站引水隧道工程。隨后在鐵路隧道工程領域應用也越來越頻繁。

隨著TBM施工技術應用領域的擴展，TBM施工技術越來越引起國內外學者的關注和研究。在TBM施工中，掘進機刀盤刀具參數的選擇至關重要，刀具的耐磨值大于硬巖的耐磨值才能實現刀具的破巖掘進；同時刀具的磨損量是制約著TBM應用的經濟效益和掘進效率?？梢姡瑤r石耐磨性是刀具選擇決定性的參考指標。

巖石耐磨值是一個硬度指標。硬度是一種關于物料性態的概念，但不是物料的基本性質。因此，硬度的量度值取決于所用的試驗類型。巖石和礦物硬度的測量大致有三種類型的試驗：壓入試驗、動力或回彈試驗、劃痕試驗。目前在TBM施工的地質參數測定方法中的巖石耐磨性指標測試技術，就是巖石硬度劃痕試驗方法。

國內對巖石耐磨性的研究比較少, 近年來已有學者就巖石耐磨性與巖石強度的相關性進行探討研究。我國學者王磊[1]、王華[2]通過對隧道巖石力學強度與巖石耐磨性的相關性進行了研究，發現巖石力學強度與巖石耐磨性呈正相關的關系。鑒于引漢濟渭工程的重要性，巖石耐磨性與三軸強度相關性的研究具有重要意義。

2 工程概況[3]

引漢濟渭工程總體布局為兩庫、兩站、兩電、一洞兩段。兩庫即黃金峽水庫、三河口水庫；兩站、兩電指兩座水庫壩后聯合布置的抽水站、水電站；一洞兩段指從漢江左岸到秦嶺北麓長98.3km的秦嶺隧洞，由黃(金峽)三(河口)段及越嶺段兩段組成。秦嶺隧洞是引漢濟渭水利工程控制性工程之一。

2.1 主要地層巖性

主要地層巖性包括石炭系變質砂巖、千枚巖；泥盆系變質砂巖、千枚巖；中元古界綠泥片巖、云母片巖、石英片巖；并伴有燕山期花崗巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖、加里東晚期花崗巖，以及閃長巖體的侵入。

2.2 隧洞工程設計

秦嶺隧洞越嶺段長81.779km，共布置9條施工支洞，其中嶺南6條(0、0-1及1～4號支洞)，嶺北3條(5～7號支洞)。綜合地形和地質條件，3號支洞以南的約26km洞段、6號支洞以北的約16km洞段設計用鉆爆法施工；3號支洞與6號支洞之間穿越秦嶺主脊的約39km主洞采用TBM施工。兩臺TBM分別由3、6號支洞進入，在洞內組裝，南北相向掘進。

3 巖石耐磨試驗和三軸強度試驗

試驗采集引漢濟渭秦嶺隧洞越嶺段16個試樣進行試驗。

3.1 巖石耐磨試驗

3.1.1 試驗方法

試驗采用的鋼針直徑為6mm，鋼種為合金45號鋼，鋼針的洛氏硬度為34，鋼針的強度為107kg/mm2，針尖為60°錐角形。

(1)將磨蝕好的鋼針直徑在高倍顯微鏡下進行初標，測量精度為0.0001mm。

(2)在巖石耐磨儀安裝上鋼針，將加工好的試樣固定在耐磨儀上。注意安裝鋼針和試樣時，避免力量過猛，要輕拿輕放。

(3)在整體相對穩定的情況下，施加水平推力使鋼針在巖石試樣表面水平移動，水平移動距離為10mm。水平移動時注意鋼針移動的速度。

(4)將鋼針取下，采用高倍顯微鏡觀測鋼針磨損部分直徑，記錄單位為φ×1/10mm，精度為0.0001mm。

(5)每一組巖樣試件6塊，每一個試樣都應該選擇近似相鄰的三個面來作為劃痕面，取其平均值作為每一面的耐磨值，最后再對三個面的耐磨值取平均值，作為該巖樣的耐磨性值。

3.2 巖石三軸強度試驗

3.2.1 試樣制備

巖樣的加工要求：巖樣的高徑比為2∶1，加工后的試件尺寸為φ50mm×100mm的圓柱體。圓柱體試件在高度范圍內的直徑誤差不大于0.3 mm，將兩端面磨平后的不平整度誤差不大于0.05mm。

3.2.2 試驗方法

剛性巖石室內三軸試驗，是在マルィ(日)生產的MARUI電液伺服剛性對稱式(側向壓力σ2=σ3)巖石三軸試驗機及其相應的測量和紀錄儀器系統上進行。試樣處于恒定圍壓狀態下，施加σ3=σ2=0、5.0、10.0、15.0MPa四個側向壓力。軸向壓力采用壓縮型的加載方式，以軸向變形控制軸向應力的加載速率，在三向均等壓力下，附加軸向壓力以增大主應力差(σ1-σ3)使巖石超過強度達到破壞為止，測定試樣被軸向壓縮破壞所經歷的最大軸向應力或剪切應力。

3.2.3 試驗結果

巖石應力—應變全過程曲線見圖1，巖石峰值應力莫爾圓見圖2，巖石殘余應力莫爾圓見圖3，巖石耐磨值與力學強度試驗成果見表1。

圖1 巖石應力—應變全過程曲線

圖2 巖石峰值應力莫爾圓

圖3 巖石殘余應力莫爾圓

4 結果分析

對16個巖石樣本耐磨值與三軸強度值進行數值擬合分析，巖石耐磨值與c、φ值的關系曲線見圖4～7；采用數理統計的方法,對其進行回歸分析得出相關關系式(見式(1)～(4))。

巖石耐磨值與粘聚力(峰值)相關關系式：

c=3.142exp0.216A,R2=0.92

(1)

巖石耐磨值與內摩擦角(峰值)相關關系式：

φ=23.56ln(Ab)+17.98R2=0.90

(2)

巖石耐磨值與粘聚力(殘余)相關關系式：

(3)

巖石耐磨值與內摩擦角(殘余)相關關系式：

φ′=27.30ln(Ab)+6.17R2=0.75

(4)

5 結 論

通過巖石耐磨值與三軸強度的回歸分析可以看出：巖石三軸強度(峰值)越大，耐磨值也越大，巖石耐磨值與粘聚力(峰值)、內摩擦角(峰值)分別呈指數函數、對數函數正相關關系，相關系數為0.92、0.90，表現出非常好的相關性；巖石三軸強度(殘余)與耐磨值的相關系數分別為0.58、0.75，表現出正相關關系的趨勢。

表1 巖石耐磨值與三軸強度試驗結果

圖4 耐磨值Ab與峰值粘聚力c關系曲線

圖6 耐磨值Ab與殘余粘聚力c′關系曲線

圖5 耐磨值Ab與峰值內摩擦角φ關系曲線

圖7 耐磨值Ab與殘余內摩擦角φ′關系曲線

巖石三軸強度是巖石力學特征的一部分，能夠很好地反映巖石在巖體中的所處應力環境，是巖體本身屬性的一種直接表現。巖石耐磨值的影響因素包括巖石結構構造、礦物組成成分、礦物的硬度、顆粒之間的連結力、巖石完整性、風化程度及巖石本身所處的應力環境等等。一般來說,巖石整體力學強度越高,巖石的耐磨值偏大；相反，巖石整體力學強度越低,巖石的耐磨值偏小。

參考文獻：

[1] 王磊.隧道巖石耐磨性與巖石強度的相關性研究[J].四川聯合大學學報(工程科學版),1997，1(6)：26-30.

[2] 王華.TBM施工隧道巖石耐磨性與力學強度相關性研究[J].水文地質工程地質,2010，5(37)：57-60.

[3] 鐵道第一勘察設計院集團公司.引漢濟渭秦嶺隧洞工程地質勘察報告[R].2010.

[4] 黃今.TBM 在長大隧道開挖中的應用前景初探[J].山西建筑,2007，01,33(2):276-277.