隧道開挖中巖石耐磨性與礦物含量相關(guān)性研究

王銀龍， 丁洪玉

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 四川成都 611756)

TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))技術(shù)誕生于19世紀(jì)40年代的意大利，并在隨后的幾十年里在各國應(yīng)用和發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的打眼放炮的鉆爆法，TBM具有掘進(jìn)速度快、利于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)全球由TBM技術(shù)完成掘進(jìn)的隧道占全部隧道的30 %左右，而且比例還在不斷增加[1]。

但是在TBM施工中，也存在著刀具損耗快、掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)成本高等缺點(diǎn)，鉆頭的磨損度直接關(guān)系著工程的經(jīng)濟(jì)效益和整個(gè)施工進(jìn)度，而巖石的耐磨性是刀具損耗率的直接影響因素，即巖石耐磨性越大對(duì)刀具刀盤的磨損就越嚴(yán)重，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失和施工時(shí)間就越長[2-4]。故對(duì)巖石耐磨性的研究有利于在TBM技術(shù)施工中減少經(jīng)濟(jì)成本損失和提高施工效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前對(duì)巖石耐磨性的相關(guān)性研究還處于初步階段。朱寶龍團(tuán)隊(duì)[5]自主研制了基于巖石表面劃痕原理的耐磨儀，并得出通過耐磨值CAI來評(píng)定巖石耐磨性的方法，該方法具有易于操作、精確度高且很好地避免發(fā)生偶然性等優(yōu)點(diǎn)。王華[6]通過測(cè)量巖石抗壓強(qiáng)度 、抗拉強(qiáng)度、三軸強(qiáng)度峰值強(qiáng)度和巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度作為巖石力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容，對(duì)巖石耐磨性與力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)性研究。但是在已有研究中，對(duì)巖石耐磨性與其礦物成分的相關(guān)性研究還沒有具體的深入。當(dāng)下普遍認(rèn)為巖石內(nèi)硬性礦物如石英、長石的含量越高其耐磨性越大[6-7]。故本文采用朱寶龍團(tuán)隊(duì)自主研制的基于劃痕原理的巖石耐磨儀，取樣共計(jì)30組巖芯作為試驗(yàn)樣品，XRD礦物分析方法進(jìn)行成分分析，運(yùn)用SPSS、Design-expert軟件探究巖石耐磨性與其石英、長石、黏土礦物百分含量的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 耐磨性實(shí)驗(yàn)機(jī)理

耐磨試驗(yàn)所用設(shè)備包括巖石耐磨試驗(yàn)儀、顯微鏡及洛氏硬度為55的合金45號(hào)鋼針。

巖石具備一定厚度1 cm長的光滑表面為耐磨實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其主要礦物組分為石英、長石、黏土礦物，其模型圖如下圖1。

圖1 模型選取

當(dāng)鋼針受7 kg荷載并在巖石表面滑動(dòng)時(shí)，將在巖石表面留下劃痕，且由于鋼針硬度小于石英、略小于長石，大于黏土礦物，所以鋼針在石英表面滑動(dòng)時(shí)磨損大，長石次之，在黏土礦物表面滑動(dòng)時(shí)磨損較小，其作用機(jī)理如圖2。

圖2 作用機(jī)理

耐磨值(CAI)測(cè)取實(shí)驗(yàn)主要基于鋼針磨損度，考慮到礦物莫氏硬度石英>長石>鋼針>黏土礦物，并結(jié)合礦物含量對(duì)耐磨性影響結(jié)論總結(jié)得出巖石耐磨性受其礦物組分硬度影響，即礦物硬度大則對(duì)鋼針磨損嚴(yán)重進(jìn)而得出巖石耐磨值越大。

其中CAI值越大說明巖石耐磨性越大。且定義CAI值與耐磨性等級(jí)關(guān)系如下表1。

表1 巖石耐磨性等級(jí)

1.2 巖樣采集

試驗(yàn)樣品包括青島地鐵6號(hào)線和8號(hào)線工程內(nèi)12個(gè)區(qū)間，選取共計(jì)90塊巖芯試驗(yàn)樣本，包括微風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化煌斑巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗斑巖、微風(fēng)化粗?；◢弾r、微風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化正長斑巖、微風(fēng)化閃長巖以及塊狀碎裂巖。具體取樣區(qū)間及巖樣如圖3所示。

(a)青島地鐵6號(hào)線取樣點(diǎn)及區(qū)間

(b)青島地鐵8號(hào)線取樣點(diǎn)及區(qū)間圖3 實(shí)驗(yàn)樣本明細(xì)

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)選取的樣品均為巖芯毛樣，樣品大小以便于儀器固定為準(zhǔn)且表面無明顯粗糙不平，具有一定的平整度便于鋼針滑動(dòng)。

(2)在顯微鏡下測(cè)量鋼針針尖直徑d，精度為0.01 mm，本文篩選出針尖直徑在0.05～0.09 mm規(guī)格的鋼針作為實(shí)驗(yàn)鋼針。

(3)放置鋼針并將實(shí)驗(yàn)巖樣固定于移動(dòng)載物臺(tái)上，放置7 kg砝碼后緩慢搖動(dòng)移動(dòng)軸，使鋼針在樣品表面滑動(dòng)1 cm。

(4)測(cè)量磨后的試驗(yàn)鋼針針尖直徑D，保留精度為0.01 mm。巖石耐磨性指數(shù)CAI值=(D-d)×10。為避免由于樣品表面粗糙度和礦物分布不均導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果誤差，故每個(gè)樣品選取8處進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，舍棄異常值后取平均值。

1.4 礦物成分分析

本文礦物成分分析采用X射線衍射技術(shù)(XRD)，通過對(duì)30組典型試驗(yàn)樣品的X射線衍射，得出樣品中主要礦物包括石英、長石、黏土礦物。并且為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，本文對(duì)每組鉆孔巖芯的相同礦物成分取平均值進(jìn)行分析。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)典型樣品中30組巖石樣品進(jìn)行耐磨試驗(yàn)和X射線衍射，去除極端值后對(duì)剩余巖石樣品的耐磨值和礦物成分百分含量取平均值可總結(jié)出下表2。

表2 耐磨性和礦物成分

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1)地鐵沿線巖層耐磨性整體為中-強(qiáng)耐磨性，對(duì)巖石盾構(gòu)機(jī)刀片磨損較大。

(2)相同巖性隨著其風(fēng)化程度增加其耐磨性降低。

(3)同等風(fēng)化程度的花崗巖和閃長巖其耐磨性強(qiáng)于煌斑巖的原因應(yīng)為長石、石英含量更高導(dǎo)致。

2 礦物成分與耐磨值CAI相關(guān)性分析

本章運(yùn)用SPSS軟件與Design-expert軟件從單因子、雙因子兩個(gè)方面研究巖石礦物含量與耐磨值CAI的相關(guān)性。其中SPSS軟件為一款統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件，軟件分析結(jié)果準(zhǔn)確且易于操作；Design-expert軟件是一款能同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的模擬軟件，并具有易于操作、優(yōu)化預(yù)測(cè)、可視化高的優(yōu)點(diǎn)，在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較廣。

2.1 單因子分析

運(yùn)用SPSS程序中雙變量相關(guān)性分析部分，計(jì)算皮爾森相關(guān)系數(shù)以反映兩個(gè)變量線性的相關(guān)程度，皮爾森相關(guān)系數(shù)作為一種統(tǒng)計(jì)量其值大于0.01說明正相關(guān)，反之負(fù)相關(guān)。關(guān)系如表3所示。

表3 皮爾森系數(shù)結(jié)果

由結(jié)果可知當(dāng)巖石主要礦物為長石、石英和黏土礦物時(shí)，只考慮單一礦物成分對(duì)巖石耐磨性影響：石英含量與耐磨值的皮爾森相關(guān)系數(shù)大于0.01呈正相關(guān)；長石、黏土礦物含量小于0.01反之，且石英、黏土礦物對(duì)耐磨性影響遠(yuǎn)大于長石。

2.2 雙因子響應(yīng)分析

運(yùn)用Design-expert軟件下的RSM(響應(yīng)面設(shè)計(jì))模塊對(duì)雙因子與CAI值得相關(guān)性進(jìn)行擬合，該模塊具有可擬合高階模型的優(yōu)點(diǎn)。由表3數(shù)據(jù)在Design-expert可得出石英、長石、黏土礦物在巖石中的雙因子與耐磨值CAI的關(guān)系曲面如圖4。

(a)石英、長石與CAI值交互作用

(b)石英、黏土與CAI值交互作用

(c)長石、黏土與CAI值交互作用

由模擬結(jié)果可知：

(1)當(dāng)僅考慮石英、長石時(shí)，石英、長石含量與巖石耐磨性呈正相關(guān)，即兩者任一含量增加都將導(dǎo)致巖石耐磨性增強(qiáng)。同時(shí)考慮兩者影響時(shí)，石英影響效果更顯著。

(2)當(dāng)僅考慮石英、黏土礦物時(shí)，石英含量與巖石耐磨性呈正相關(guān)，黏土礦物含與巖石耐磨性相關(guān)性不明顯。

(3)當(dāng)僅考慮長石、黏土礦物時(shí)，長石含量與巖石耐磨性呈正相關(guān)，黏土礦物含與巖石耐磨性相關(guān)性不明顯。

綜上可知石英、長石、黏土礦物中，長石、石英與巖石耐磨性呈正相關(guān)，且石英正相關(guān)性大于長石；黏土礦物對(duì)其影響不顯著，但是黏土礦物將導(dǎo)致巖石耐磨性保持在極低的范圍內(nèi)。同時(shí)Design-expert得出在考慮雙因子交互作用下的CAI值與石英(A)、長石(B)、黏土礦物(C)的函數(shù)關(guān)系為：

CAI=2.33·A-7.93·B-11.60·C+25.18·A·B+46.59·A·C+34.42·B·C-114.12·A·B·C-16.33·A·B·(A-B)-23.37·A·C·(A-C)+59.81·B·C·(B-C)

3 結(jié)論

本文通過巖石耐磨性試驗(yàn)得出青島地鐵項(xiàng)目相關(guān)巖石的耐磨性，為項(xiàng)目施工前期準(zhǔn)備工作及盾構(gòu)機(jī)刀具的選擇提供了參考，利于項(xiàng)目的進(jìn)行。運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)分析、Design-expert數(shù)值擬合從單因子、雙因子及兩個(gè)方面建立耐磨性與主要礦物間的相關(guān)聯(lián)系，通過結(jié)果對(duì)比分析可得：

(1)單因子、雙因子綜合分析得到石英含量越高其巖石 耐磨性越高，長石次之，而黏土礦物反之。其中石英、黏土礦物對(duì)巖石耐磨性影響程度高于長石。即可得自然條件下高硬度礦物含量越高(如石英、長石等)則巖石其耐磨性越強(qiáng)，低硬度礦物含量越高(如云母、石膏、方解石等)則巖石其耐磨性越弱。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立雙因子交互作用下石英(A)、長石(B)、黏土礦物(C)百分含量與耐磨值間的數(shù)理方程：

CAI=2.33·A-7.93·B-11.60·C+25.18·A·B+46.59·A·C+34.42·B·C-114.12·A·B·C-16.33·A·B·(A-B)-23.37·A·C·(A-C)+59.81·B·C·(B-C)

本文對(duì)隧道、地鐵等采用TBM技術(shù)施工項(xiàng)目中盡快確定巖石耐磨性，并及時(shí)調(diào)整施工和更換相關(guān)設(shè)備，能夠優(yōu)化施工進(jìn)度和施工經(jīng)濟(jì)成本，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。