TBM刀具巖石磨蝕性CAI值調(diào)整系數(shù)的應(yīng)用

張恒輝，吳 煒

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)刀具磨損以前常以等效石英含量作為單一考量指標(biāo)。2010年以后，業(yè)內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了用巖石磨蝕性CAI值評(píng)價(jià)掘進(jìn)機(jī)刀具敏感性的方法。CAI值考慮了等效石英含量、巖石抗壓強(qiáng)度等多種因素，是對(duì)巖芯巖樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的一種微觀評(píng)價(jià)方法，更接近工程實(shí)際。硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)刀具對(duì)掘進(jìn)地層的CAI值更為敏感[1]。國(guó)家鐵路集團(tuán)2019年發(fā)布的《鐵路隧道掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)規(guī)程》[2](簡(jiǎn)稱 “技術(shù)規(guī)程”)對(duì)巖石磨蝕性CAI值進(jìn)行了規(guī)范定義。楊延棟等[3]研究了滾刀刀具磨損評(píng)價(jià)的方法。張厚美[4]提出了滾刀重復(fù)破碎與二次磨損經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。孫振川等[5]基于特定工點(diǎn)提出TBM滾刀磨損規(guī)律，但目前國(guó)內(nèi)尚未發(fā)布評(píng)價(jià)或推導(dǎo)高磨蝕指數(shù)條件下TBM刀具定額消耗量的成果。

本文根據(jù)樣本工點(diǎn)不同石英含量TBM掘進(jìn)刀具消耗測(cè)定值，結(jié)合等效石英含量與CAI值的相關(guān)性分析，推導(dǎo)出不同CAI值的TBM刀具消耗量調(diào)整系數(shù)并進(jìn)行符合性驗(yàn)證。

1 巖石磨蝕性CAI值

1.1 CAI值的含義

法國(guó)Cerchar研究所1986年提出了CAI值(Cerchar abrasiveness index)的概念。CAI作為一種用于衡量巖石磨蝕性的參數(shù)，需通過(guò)Cerchar劃痕試驗(yàn)測(cè)得。試驗(yàn)原理是對(duì)一根帶90°圓錐角的鋼針施加70 N的載荷，使其對(duì)被測(cè)巖樣產(chǎn)生壓力；然后將鋼針移動(dòng)10 mm，劃過(guò)巖石表面，鋼針錐頂端部位會(huì)產(chǎn)生磨損；再測(cè)量鋼針的錐頂端部的直徑，以1/10 mm為單位，即得到巖樣的CAI值。根據(jù)“技術(shù)規(guī)程”，掘進(jìn)法施工隧道在遇到硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖時(shí)，必須對(duì)巖石磨蝕性指數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并給出巖石磨蝕性等級(jí)，見表1。

表1 巖石磨蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 CAI值的測(cè)試方法

CAI測(cè)試采用的鋼針直徑為10 mm，錐角90°，材料為40Cr(HRC45～50)；巖樣直徑為50 mm，表面打磨平整。試驗(yàn)過(guò)程中在每個(gè)巖樣120°方向分別劃1次。鋼針劃過(guò)巖樣后，測(cè)定鋼針尖頭磨損后的寬度，并通過(guò)相應(yīng)計(jì)算獲得巖石CAI值，試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

(a)試驗(yàn)用鋼針

2 CAI值與刀具磨蝕指標(biāo)的相關(guān)性

2.1 CAI值應(yīng)用的可行性

Wijk[1]通過(guò)微型滾刀磨損試驗(yàn)提出滾刀磨損速率(切削單位體積巖石時(shí)滾刀的質(zhì)量損失量，g/m3)與巖石CAI值呈冪函數(shù)關(guān)系(冪指數(shù)為2)。楊延棟等[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出滾刀刀圈損失率Vs(TBM掘進(jìn)單位距離的滾刀損失量，mm/m3)與巖石CAI值之間呈冪函數(shù)關(guān)系，即：

Vs=0.002 9e1.178 3Kv·CAI。

(1)

式中Kv為巖體完整性系數(shù)。

可見巖石磨蝕性指數(shù)CAI值對(duì)滾刀磨損的影響尤為明顯，當(dāng)KV值相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，CAI值可作為滾刀磨損地質(zhì)影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。隧道圍巖判定標(biāo)準(zhǔn)為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值，而BQ值由巖石完整性和抗壓強(qiáng)度確定，即：

BQ=100+3Rc+250Kv。

(2)

式中Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

因而刀具CAI調(diào)整系數(shù)建立在不同圍巖定額消耗量的基礎(chǔ)上是可行的。

2.2 巖石磨蝕性的影響因素

掘進(jìn)機(jī)刀具磨損量主要受巖石抗壓強(qiáng)度、巖石礦物含量、巖體完整性等因素的影響，而巖石磨蝕性CAI值從細(xì)觀角度評(píng)價(jià)巖石的磨蝕性，可以通過(guò)試驗(yàn)評(píng)判巖石抗壓強(qiáng)度、巖石礦物含量對(duì)巖石磨蝕性CAI值的影響規(guī)律。

巖石一般含有多種礦物含量，石英是巖石中主要的磨蝕性礦物，巖石石英含量對(duì)巖石的磨蝕性影響較大，但巖石中其他硬質(zhì)礦物成分也會(huì)對(duì)滾刀造成磨損，如鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石等，僅考慮石英含量比較片面。因此，提出等效石英含量EQC的概念作為衡量巖石礦物成分含量對(duì)巖石磨蝕性影響的指標(biāo)，等效石英含量的計(jì)算方法為把巖石中所有礦物的質(zhì)量百分比乘以該礦物Rosival硬度與石英Rosival硬度的比值，然后將求和的結(jié)果作為該巖石的等效石英含量。

巖石單軸抗壓強(qiáng)度UCS是評(píng)價(jià)巖石強(qiáng)度的重要指標(biāo)，隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度的增加，滾刀壽命逐漸縮短。巖石的抗壓強(qiáng)度反映了巖石對(duì)滾刀滾壓破碎時(shí)的抵抗程度。巖石抗壓強(qiáng)度越高，滾刀破碎巖石時(shí)刀刃所受載荷越大，巖石中的硬質(zhì)顆粒對(duì)滾刀表面的材料剝落越厲害，滾刀的磨損量越大。

3 巖石磨蝕性CAI值的應(yīng)用研究

3.1 CAI值應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中尚未明確巖石磨蝕性指數(shù)的試驗(yàn)方法及劃分標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)“技術(shù)規(guī)程”，巖石磨蝕性測(cè)試方法一般采用法國(guó)Cerchar研究所的試驗(yàn)方法[2]。國(guó)外廠家如德國(guó)海瑞克、美國(guó)羅賓斯等已利用CAI值用于刀具消耗預(yù)測(cè)和投標(biāo)，美國(guó)已基于CAI值建立了相關(guān)的巖石磨蝕性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。中鐵隧道局盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已開展巖石磨蝕性的試驗(yàn)服務(wù)，用于刀具壽命評(píng)價(jià)，取得了良好的社會(huì)效益。

在編制鐵建設(shè)〔2020〕155號(hào)《鐵路隧道TBM及超長(zhǎng)工區(qū)施工等補(bǔ)充預(yù)算定額》[7](簡(jiǎn)稱 “155號(hào)定額”)時(shí)，尚無(wú)CAI值與TBM刀具消耗量直接對(duì)應(yīng)的定額測(cè)定研究成果，但有大量石英含量與TBM刀具消耗量對(duì)應(yīng)關(guān)系的定額測(cè)定資料可參考。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[8]表明等效石英含量與CAI值有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者存在可轉(zhuǎn)換性。部分盾構(gòu)、TBM掘進(jìn)工程現(xiàn)場(chǎng)局部段落巖石取樣檢測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度、等效石英含量與CAI值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 部分盾構(gòu)、TBM掘進(jìn)工程現(xiàn)場(chǎng)局部段落對(duì)應(yīng)巖石磨蝕性分級(jí)

3.2 定額刀具消耗量磨蝕指數(shù)調(diào)整系數(shù)分析推導(dǎo)

為全面反映掘進(jìn)地層等效石英含量、單軸抗壓強(qiáng)度、巖層整體性等指標(biāo)對(duì)刀具消耗的影響，經(jīng)調(diào)研鐵路工程高黎貢山隧道、秦嶺隧道和水利工程引漢濟(jì)渭隧洞等樣本工點(diǎn)的TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)，基于《陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程TBM掘進(jìn)段刀具消耗分析報(bào)告》(簡(jiǎn)稱“引漢濟(jì)渭報(bào)告”)中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定研究成果，并根據(jù)巖層完整性系數(shù)差異，完善刀具消耗調(diào)整數(shù)據(jù)；再根據(jù)建模公式結(jié)合石英含量和抗壓強(qiáng)度換算磨蝕指數(shù)，從而推導(dǎo)出可用于預(yù)算定額的刀具消耗量CAI值調(diào)整系數(shù)。

3.2.1 引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM刀具消耗研究成果

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程已掘進(jìn)段以石英巖、花崗巖為主，圍巖強(qiáng)度高、完整性好、石英含量高，掘進(jìn)巖層耐磨值范圍廣。圍巖抗壓強(qiáng)度為80～306.04 MPa，平均152.5 MPa；石英含量為43.6%～92.6%，平均69.4%，完整性系數(shù)平均達(dá)0.8。根據(jù)“引漢濟(jì)渭報(bào)告”測(cè)定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在不同圍巖等級(jí)及等效石英含量>45%時(shí)，刀具消耗指標(biāo)見表3。當(dāng)20%<隧洞巖石等效石英含量≤45%時(shí)，刀具消耗量按1.40系數(shù)調(diào)整。當(dāng)?shù)刃⒑?45%時(shí)，刀具消耗量調(diào)整系數(shù)見表4。

表3 引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南TBM工程(開挖直徑8.02 m)刀具消耗量

表4 引漢濟(jì)渭工程刀具消耗量調(diào)整系數(shù)

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)的調(diào)整完善

考慮到只看石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度還不能客觀反映刀具磨耗規(guī)律，上述“引漢濟(jì)渭報(bào)告”數(shù)據(jù)來(lái)源于巖層完整性系數(shù)平均達(dá)0.8的引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺南工區(qū)，比通常隧道的完整性系數(shù)要高[9]，表3、表4數(shù)據(jù)有其特殊性，但用于預(yù)算定額還需進(jìn)一步調(diào)整完善。根據(jù)文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[8]給出的巖體完整性系數(shù)影響經(jīng)驗(yàn)公式(見式(1))，并結(jié)合盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后預(yù)算定額擬采用數(shù)據(jù)見表5。

表5 補(bǔ)充定額采用的刀具消耗量調(diào)整系數(shù)

3.2.3 磨蝕指數(shù)CAI值與等效石英含量、抗壓強(qiáng)度的換算

為使預(yù)算定額編制符合“技術(shù)規(guī)程”有關(guān)TBM刀具磨蝕敏感性指標(biāo)的相關(guān)要求，也更全面、科學(xué)地反映刀具磨蝕規(guī)律，需要將石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)轉(zhuǎn)化為磨蝕指數(shù)CAI值。本文引用文獻(xiàn)[3]中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行換算。

CAI=0.816 4 ln(Rc·QE)+0.176 1。

(3)

式中QE為等效石英含量，%。

QE、Rc與CAI值換算如表6所示[10-11]，具體操作為：1.0≤CAI<2.0引用“等效石英含量15%～25%”欄的驗(yàn)算值；2.0≤CAI<3.0引用“等效石英含量25%～35%”欄的驗(yàn)算值；3.0≤CAI<4.0引用“等效石英含量35%～65%”欄的驗(yàn)算值；4.0≤CAI<5.0引用“等效石英含量65%～85%”欄的驗(yàn)算值；CAI≥5.0引用“等效石英含量>85%”欄的驗(yàn)算值。

表6 磨蝕指數(shù)CAI值換算對(duì)應(yīng)表

3.2.4 預(yù)算定額應(yīng)用值

為使TBM定額消耗量符合高磨蝕指數(shù)巖層掘進(jìn)的客觀規(guī)律，定額使用說(shuō)明中引入了上述換算而來(lái)的刀具定額消耗量CAI值調(diào)整系數(shù)(見表7)。

表7 不同磨蝕指數(shù)巖層掘進(jìn)TBM刀具定額消耗量調(diào)整系數(shù)

3.3 預(yù)算定額CAI值調(diào)整系數(shù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.3.1 TBM刀具定額基礎(chǔ)消耗量對(duì)比驗(yàn)證

大瑞鐵路高黎貢隧道TBM于2018年2月1日正式始發(fā)掘進(jìn)，前5個(gè)月掘進(jìn)段地質(zhì)以Ⅲ、Ⅳa和Ⅳb為主，巖質(zhì)偏軟、偏破碎[12]。抽檢石英含量均值低于20%，磨蝕指數(shù)均值在0.5～1，其測(cè)定數(shù)據(jù)可驗(yàn)證“155號(hào)定額”基礎(chǔ)定額消耗量的適用性，統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表8和表9。

表8 高黎貢山隧道正洞(開挖直徑9.03 m)TBM刀具消耗量統(tǒng)計(jì)

表9 高黎貢山隧道TBM刀具消耗量對(duì)比結(jié)果

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，TBM正邊滾刀消耗量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高于“155號(hào)定額”5.7%，中心刀高60%，而刮刀則低45%，結(jié)合對(duì)應(yīng)消耗量量化成金額時(shí)高黎貢山隧道實(shí)測(cè)比155號(hào)定額高2.37%。表明采用“155號(hào)定額”中刀具定額消耗量作為調(diào)整基數(shù)符合掘進(jìn)刀具消耗規(guī)律。

3.3.2 TBM刀具消耗量CAI值調(diào)整系數(shù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證TBM定額刀具消耗量調(diào)整系數(shù)的合理性，用“技術(shù)規(guī)程”中13.11.8南疆中天山隧道、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞刀具消耗量數(shù)據(jù)與“155號(hào)定額”的刀具消耗量調(diào)整值進(jìn)行同條件對(duì)比驗(yàn)證，見表10。

表10 TBM刀具消耗量CAI值調(diào)整系數(shù)驗(yàn)證

由表10可知，當(dāng)磨蝕指數(shù)大于2且小于5時(shí)，“技術(shù)規(guī)程”中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的刀具消耗量明顯大于“155號(hào)定額”消耗量調(diào)整值，平均大37.7%左右；磨蝕指數(shù)小于2時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的消耗量略低于“155號(hào)定額”消耗量調(diào)整值，平均低1%左右。整體上看，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定消耗量比“155號(hào)定額”消耗量調(diào)整值高19.7%左右。對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明，“155號(hào)定額”調(diào)整系數(shù)的使用使定額消耗量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值大幅接近，高磨蝕性部分略低于現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)值，基本符合定額計(jì)價(jià)要求。經(jīng)分析，南疆中天山隧道、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞的刀具消耗量偏高與其掘進(jìn)機(jī)超齡、刀具國(guó)產(chǎn)化替代等因素有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

上述研究分析表明，通過(guò)現(xiàn)有石英含量與TBM刀具消耗量相關(guān)性的測(cè)定與試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到CAI值與TBM刀具消耗的相關(guān)規(guī)律是可行的。本文定額數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程和換算方法被“155號(hào)定額”用于預(yù)算定額TBM掘進(jìn)刀具消耗量調(diào)整系數(shù)的編制。在建川藏鐵路有色季拉山隧道、伯舒拉嶺隧道等多個(gè)TBM標(biāo)段，前期勘探設(shè)計(jì)揭示的掘進(jìn)地質(zhì)復(fù)雜，CAI值最高可達(dá)4.0以上。后期應(yīng)結(jié)合巖體完整性指標(biāo)，通過(guò)川藏鐵路TBM施工實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證和完善刀具消耗定額CAI值調(diào)整系數(shù)。

用一定條件的變化值調(diào)整重要材料消耗量是投資估算、施工成本分析的科學(xué)手段，準(zhǔn)確的消耗量調(diào)整系數(shù)可以使消耗預(yù)測(cè)在特定條件下盡量接近實(shí)際，避免投資估算和成本測(cè)算出現(xiàn)重大誤差。同時(shí)，調(diào)整系數(shù)的使用會(huì)導(dǎo)致高CAI值掘進(jìn)段延米綜合造價(jià)指標(biāo)增加顯著，從而應(yīng)用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)影響設(shè)計(jì)單位對(duì)復(fù)雜地質(zhì)隧道掘進(jìn)方式或工法的選擇，避免不良地質(zhì)隧道施工盲目采用TBM，造成投資浪費(fèi)。