基于TBM施工的巖石耐磨性研究

劉克振　周慧廣　邢介奇　孫夢醒

摘 要：隨著TBM在隧道施工工程中的普遍應用，巖石耐磨性對施工的影響引起工程技術人員的日益關注。為了弄清不同巖石的耐磨性，應用自主研發的耐磨儀對某隧道5個區段的巖石樣品進行了耐磨性測試，并對不同巖石耐磨性進行了等級劃分。

關鍵詞：隧道施工；巖石耐磨性；等級劃分

對于物質耐磨性的研究在機械、金屬材料領域開展較久，研究成果也非常豐富。相比之下，在巖石、土木與工程領域對耐磨性的研究還不多。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的難易程度）的研究同時起步的。隨著我國大型工程對TBM的使用，隧道施工中與巖石耐磨性的關系引起了工程技術人員的關注，對巖石的耐磨性進行了各個方面的研究。文章基于自主研發的耐磨儀對某隧道工程5個區間巖石經行耐磨性測試，對各類巖石進行耐磨性劃分。

1 耐磨儀研制的設計原則及設計的主要參數

1.1 巖石耐磨儀的設計原則

（1）耐磨儀各部件的剛度和穩定性達標；（2）鋼針固定器應當與巖石樣品表面垂直，保證鋼針與巖樣表面垂直；并且鋼針針桿無彎曲；（3）鋼針上要求能夠承受一定的垂直荷載；（4）鋼針水平移動位移距離一定，以保證每組測試數據結果具有可對比性；（5）鋼針保持位移水平，推動鋼針移動的橫柄應當水平移動，故橫柄與手柄以鉸接作為連接方式，以確定手柄對橫柄的推力維持在一定的水平度范圍內；（6）鋼針必須具有固定的對應硬度值和強度值。

1.2 巖石耐磨儀的設計參數

根據此設計原則的要求，耐磨儀的主要參數指標設計為：鋼針的水平移動距離固定為1.0cm，鋼針上所加的固定荷載為7.0kg。整個儀器框架整體固定在車床上，以保證它在實驗過程中不發生移動且具有足夠的穩定性。所用鋼針的直徑為6mm，鋼種為合金45號鋼，鋼針的洛氏硬度為55，針尖為60°錐角形，耐磨儀的框架構架用角鋼、鋼板做成，硬度和鋼度均能滿足設計要求。

基于以上設計思想和原則自行研制了隧道TBM施工需要的巖石耐磨性測試試驗儀。

2 試驗步驟

（1）對應于不同區間的每個箱子的每塊巖石編上8根鋼針，從1號到8號，8根鋼針放一個袋子中，并在袋子上編好巖石上的編號。（2）將奧林巴斯多功能顯微鏡調成100倍焦距對鋼針針尖的直徑進行測量，讀數精確至0.00001mm。（3）找出鋼針所對應的巖石，將巖石砸成幾塊，前期做試驗因為巖石表面粗糙不平容易造成鋼針的脆斷，所以對砸好的巖石的表面都用磨平機磨平，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，轉動手柄，看準刻度，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，對鋼針磨損部分的直徑讀書記錄下來，讀書精確至0.00001mm。（5）以上兩個鋼針直徑的差值就是該次巖石的耐磨值，8根鋼針8個耐磨性差值，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CAI。

3 數據處理

主要對某市隧道工程5個區間的巖樣進行耐磨性試驗。5個區間共有20箱，380塊巖樣。

本次試驗中，我們自行設計的耐磨性儀器鋼針上所加固定荷載為7.0kg，鋼針為45號鋼，鋼針的洛氏硬度為55。因此根據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劃分表見表1。巖石耐磨性指數CAI值匯總表見表2。

4 結束語

通過對某隧道工程5個區間的巖石的耐磨性研究，我們可以得出5個區間中粗粒花崗巖（微）為中耐磨性-極強耐磨性：（1）粗?；◢弾r為中耐磨性-高耐磨性；（2）粗?；◢弾r（中）為極低耐磨性-強耐磨性；（3）細?；◢弾r都為高耐磨性；（4）細粒花崗巖（微）為中耐磨性-強耐磨性；（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與各類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，相應的巖石的耐磨值越小。巖石內礦物硬度及其含量對決定著該巖石耐磨性的大小起著關鍵作用。根據國內外大量TBM施工工程實例，當TBM在低-中等耐磨性的圍巖中掘進時效率較高，而在強-特強耐磨性圍巖中的掘進效率大大降低。通過巖石耐磨性研究，可以為更好地減少TBM刀具損耗，提高施工的經濟性，并為施工技術提供重要的參數。

參考文獻

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作者簡介：劉克振（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：地質工程。