寧波某海底盾構(gòu)隧道圍巖耐磨性研究

劉華吉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430073）

盾構(gòu)隧道在硬質(zhì)巖層掘進(jìn)時(shí)，刀具磨損是一類重要的工程問題，其直接影響到盾構(gòu)隧道施工成本。刀具磨損與工程地質(zhì)條件有很大關(guān)系，尤其與隧道圍巖的耐磨性密切相關(guān)[1]。國內(nèi)外研究表明，圍巖耐磨性與巖石的強(qiáng)度、礦物組成、風(fēng)化程度、巖石結(jié)構(gòu)等有關(guān)。目前比較通用的巖石磨蝕性測試實(shí)驗(yàn)是Cerchar測試方法，并通過其測試結(jié)果CAI值來反映巖石對盾構(gòu)刀具的磨損情況。由于其測試簡單，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果能比較好地反映巖石對刀具的磨蝕性[2-4]。

本文以寧波某海底隧道為工程背景，展開圍巖耐磨性研究，采集弱風(fēng)化凝灰?guī)r和礫石進(jìn)行Cerchar磨蝕性實(shí)驗(yàn)和巖石礦物衍射分析實(shí)驗(yàn)，獲取隧道圍巖耐磨性，探究巖石礦物組成對CAI值的影響規(guī)律。這對降低海底盾構(gòu)隧道的工程成本，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)選型和刀具設(shè)計(jì)等有十分重要的意義。

1 巖石室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 巖石磨蝕性實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次巖石磨蝕性實(shí)驗(yàn)在某大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用自行研制的CAI指標(biāo)實(shí)驗(yàn)儀（見圖1）、高精度電子顯微鏡和HRC55型號鋼針。

圖1 CAI指標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

CAI指標(biāo)實(shí)驗(yàn)儀由法向砝碼，鋼針固定器，臺鉗以及手曲柄組成；高精度電子顯微鏡用于測量鋼針微觀磨損量；HRC鋼針主要用于對試樣進(jìn)行刻劃，提取刻劃變量參數(shù)。各實(shí)驗(yàn)設(shè)備具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 各實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.1.2 制樣

本次實(shí)驗(yàn)分別采集的7組巖樣和7組礫石樣品作為研究對象，巖石均為弱風(fēng)化。巖石采用巴西圓盤荷載加載對巖體進(jìn)行劈裂形成新鮮實(shí)驗(yàn)面。礫石和巖石均選擇能夠代表巖石礦物的試樣進(jìn)行編號備樣。

圖2 巴西圓盤實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)表面

Cerchar實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣表面水平，由于取樣尺寸限制，制樣后保證實(shí)驗(yàn)面平直，并與夾持面保持垂直，使鋼針與實(shí)驗(yàn)巖石新鮮面垂直，并保證每個(gè)實(shí)驗(yàn)面超過鋼針刻畫距離10mm。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)方法

使用加工砂輪將鋼針尖磨成一個(gè)90°錐形角，磨損過程中必須使用適當(dāng)?shù)睦鋮s液，以防止因研磨而改變觸針的硬度。截取實(shí)驗(yàn)前鋼針針尖顯微圖像（見圖3）。

圖3 鋼針尖端鏡下圖示

將試樣放在實(shí)驗(yàn)設(shè)備夾具上，安裝鋼針、施加法向重量的砝碼并且保持整個(gè)裝置相對穩(wěn)定的情況下，開始在手柄上施加水平力，使橫柄沿水平方向移動(dòng)10mm，施加位移過程中保持鋼針運(yùn)動(dòng)勻速，并且保證在整個(gè)移動(dòng)過程中鋼針與巖石新鮮面完全接觸。

將實(shí)驗(yàn)后的鋼針放在電子顯微鏡載物臺上，使用測量軟件鋼針針尖直徑；將鋼針旋轉(zhuǎn)90°，再次量取鋼針針尖直徑，記錄兩次鋼針針尖直徑測量值，并保存測量時(shí)鋼針針尖圖像。

考慮巖石的各向異性，對每一個(gè)試樣選擇近似相鄰的三個(gè)面作為實(shí)驗(yàn)面，每個(gè)表面上劃兩次，兩次劃痕方向相互正交，通過對每個(gè)磨損后鋼針尖端的磨損平面尺寸測量，計(jì)算兩個(gè)垂直方向上的直徑d1和d2的平均值，作為實(shí)驗(yàn)采用值d，單位為mm。

圖4 鋼針尖端d值計(jì)算示意圖

1.1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以0.1mm為基本單位，依據(jù)公式（1）計(jì)算每一面的鋼針耐磨值（CAI），最后將三個(gè)面的耐磨值（CAI）取平均值作為巖樣的耐磨性值（CAI）。

比照各巖石的鋼針耐磨值經(jīng)驗(yàn)表，判斷其合理性，本次實(shí)驗(yàn)共完成實(shí)驗(yàn)14組，每組10個(gè)有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以上，每組樣品的CAI指標(biāo)采用統(tǒng)計(jì)平均值。

1.2 巖石礦物成分分析實(shí)驗(yàn)

使用X射線衍射儀分析實(shí)驗(yàn)測試各巖樣中的礦物組成[5]，通過公式（2）計(jì)算各種礦物含量。

式中，Xi：i礦物的百分含量，以百分?jǐn)?shù)表示；Ii：i礦物選定的衍射峰積分強(qiáng)度；Ki：i礦物的參比強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

2.1 石英含量與耐磨性關(guān)系

一般認(rèn)為石英是巖石中的主要磨蝕礦物，巖石中石英含量對巖石磨耗影響較大，石英含量越高，巖石的磨蝕性越強(qiáng)。礫石和巖石的石英含量與耐磨性指標(biāo)CAI值關(guān)系如圖5所示。

據(jù)圖5可知，凝灰?guī)r石英含量在20%~40%，CAI值范圍在4.0~5.5之間，礫石石英含量在42%~68%，CAI值在5.1~6.7范圍，可知礫石的石英含量和耐磨性指數(shù)CAI值均高于凝灰?guī)r。從曲線走勢來看，耐磨性指數(shù)變化規(guī)律與石英含量有一定關(guān)系，但是相關(guān)性不是特別強(qiáng)，個(gè)別石英含量高的試樣其耐磨性指數(shù)CAI值卻偏低，這是因?yàn)閹r石磨蝕性還受到巖石中其他礦物的影響，尤其是硬度較高的礦物，例如長石、輝石等。

圖5 石英含量與CAI關(guān)系分布圖

2.2 巖石礦物加權(quán)硬度值對耐磨性的影響

由于地層中的其他礦物成分也具備一定的硬度，比如長石的莫氏硬度為6-6.5，因此在考慮石英含量的基礎(chǔ)上，應(yīng)對于其余礦物同樣予以考慮，采用平均加權(quán)莫氏硬度[6]進(jìn)行表征，其計(jì)算公式為：

式中，HM-加權(quán)平均莫氏硬度；mi-某種礦物的百分含量；HMi-礦物對應(yīng)的莫氏硬度。

巖石礦物加權(quán)硬度值為巖石內(nèi)每種礦物含量乘以其莫氏硬度之和。所取試樣的礦物加權(quán)硬度與CAI關(guān)系見圖6所示。

圖6 礦物加權(quán)硬度與CAI關(guān)系分布圖

可以看出，加權(quán)平均莫氏硬度與耐磨性指數(shù)CAI值變化趨勢基本一致，礫石的礦物加權(quán)硬度也普遍高于凝灰?guī)r巖石，其將對盾構(gòu)機(jī)磨損有較大的影響。

所取14組樣品的巖石礦物加權(quán)硬度值與巖石耐磨性指數(shù)CAI值的關(guān)系如圖7所示，可得到礦物加權(quán)硬度與巖石耐磨性指數(shù)CAI之間的擬合方程為CAI=2.858×HM-11.849，相關(guān)系數(shù)R=0.9677。

圖7 巖石礦物加權(quán)硬度與CAI擬合關(guān)系圖

從擬合結(jié)果來看，巖石的礦物加權(quán)硬度值與CAI值呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系，說明巖石礦物加權(quán)硬度值可以更準(zhǔn)確地反映巖石礦物組成對磨蝕性的影響。

3 結(jié)束語

本文研究表明：（1）寧波該海底隧道盾構(gòu)開挖過程中礫石的CAI指標(biāo)5.1~6.7；凝灰?guī)rCAI在4.0~5.5；礫石和凝灰?guī)r對盾構(gòu)機(jī)刀具均有較強(qiáng)的磨蝕性。因此盾構(gòu)設(shè)計(jì)和刀具布置選擇時(shí)應(yīng)充分考慮礫石和凝灰?guī)r對盾構(gòu)施工的影響。（2）耐磨性指數(shù)變化規(guī)律與石英含量有一定關(guān)系，但是相關(guān)性不是特別強(qiáng)，研究表明，巖石礦物加權(quán)平均莫氏硬度與巖石耐磨性指數(shù)線性相關(guān)性較好，更能準(zhǔn)確地反映巖石礦物組成對與耐磨性之間的關(guān)系。