鐵路隧道巖石可鉆性鑿擊試驗相關(guān)研究

馬金彪

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，鐵路的建設(shè)是長遠(yuǎn)發(fā)展的偉大工程。鐵路長大隧道居多，為了保證施工質(zhì)量和進(jìn)度首選TBM 技術(shù)。TBM 技術(shù)具有開挖作業(yè)連續(xù)、快速、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、振動、噪聲小、自動化程度高等優(yōu)點。目前，TBM 已成為國內(nèi)外長大隧道工程的重要施工技術(shù)[1-2]。

巖石的可鉆性等級是TBM 鉆進(jìn)效率的決定因素。它反映了鉆進(jìn)時巖石破碎的難易程度，它是合理選擇TBM掘進(jìn)方式、刀盤類型和設(shè)計掘進(jìn)參數(shù)的重要依據(jù)[3]。渠愛巧[4]在對巖樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測的基礎(chǔ)上對巖芯分別進(jìn)行了力學(xué)測試，通過測定礦巖的鑿碎比功和刀具磨頓寬度對巖體的可鉆性進(jìn)行分級。徐小荷和余靜[5]對不同巖性巖石芯樣進(jìn)行可鉆性鑿擊試驗。古德曼[6]對單軸抗壓強度、彈性模量及泊松比、縱波波速及薄片鑒定等進(jìn)行試驗。徐小荷[7]分析不同巖性的巖石鑿碎比功大小，并根據(jù)鑿碎比功進(jìn)行可鉆性定量分級、及巖石鑿碎比功與物理力學(xué)指標(biāo)等的相關(guān)性。通過對鐵路隧道巖石可鉆性鑿擊試驗等相關(guān)分析研究，對提高TBM鉆進(jìn)效率具有重要的實際意義。

1 室內(nèi)試驗

1.1 巖石可鉆性鑿擊試驗

1.1.1 樣品來源

試驗采用了鐵路隧道不同巖性的試樣共計10組。

1.1.2 樣品制備

（1）試件可用巖芯或巖塊加工制成。在采取巖樣或制備試件時應(yīng)避免產(chǎn)生人為裂隙。

（2）試件尺寸：巖石試件宜采用圓柱體作為試件，試件直徑不宜小于60 mm；采用大直徑試樣時，試樣直徑宜小于試樣固定器內(nèi)徑15 mm 及以上；試件高度應(yīng)與試樣固定器高度一致。試件宜保持天然含水率狀態(tài)。

（3）試件描述應(yīng)包括：巖石名稱、顏色、完整程度、風(fēng)化程度、裂隙分布、試驗方向與層理、片理、裂隙之間的關(guān)系等。

1.1.3 儀器設(shè)備

巖石可鉆性鑿擊試驗儀包括以下部分，如圖1所示。

圖1 巖石可鉆性鑿擊試驗儀示意圖

（1）機械部分：機械部分由電動機通過齒輪箱帶動主動鏈輪、鏈條和從動鏈輪轉(zhuǎn)動。鏈條上的提升塊通過提升機構(gòu)（提升滑塊）使重錘（m1）在與釬頭連接的導(dǎo)桿上滑動，當(dāng)重錘（m1）滑動到導(dǎo)桿一定位置與脫錘機構(gòu)接觸時，脫錘機構(gòu)推動提升機構(gòu)（提升滑塊）使提升機構(gòu)與鏈條上的提升塊脫離，使重錘（m1）自由下落，錘擊擊打釬頭安裝部分及釬頭（m2），釬頭沖擊鑿巖，達(dá)到鑿碎巖石的目的。鑿碎前，試件固定在巖樣固定器中，鑿碎時，試樣固定器固定在承載臺上，承載臺的鎖緊裝置必須鎖緊。

（2）控制器：控制器是以微電腦計數(shù)器、計數(shù)光電傳感器、傳感元件、顯示元器件、置數(shù)裝置和電氣控制按鈕等組成，主要功能是控制機械動作完成鑿碎試驗。

（3）釬頭：釬頭為一字形，直徑φ40 mm，刃角60°、90°、110°，刃長60 mm，錳鋼材料制成，硬度為50 HRC。

（4）測量設(shè)備：游標(biāo)卡尺2 把（測量深度和直徑各1把），游標(biāo)卡尺分度值0.01 mm。

（5）樣品加工設(shè)備：鉆石機、切石機、磨石機、砂輪機等。

1.1.4 試驗步驟

（1）將巖樣固定器放入巖樣托盤上，用刻線對準(zhǔn)巖樣固定器表面的“1”號刻度，插入鎖緊搖把，轉(zhuǎn)動鎖緊搖把至巖樣固定器被夾緊。

（2）安裝新的釬頭，釬頭落于巖樣表面，并緊貼。

（3）檢查并擰緊儀器各部位螺絲。

（4）在儀器上按“調(diào)整”鍵，設(shè)置鑿擊次數(shù)（一般為20次），按“啟動”開始試驗，完成20次鑿擊。

（5）20次鑿擊完成后，將釬頭提起卡緊，用刷子將巖樣表面的灰清理干凈。

（6）插入鎖緊搖把，松動巖樣固定器，轉(zhuǎn)動巖樣固定器，使巖樣固定器的刻線對準(zhǔn)“2”號刻度，轉(zhuǎn)動鎖緊搖把至巖樣固定器被夾緊。

（7）重復(fù)第3～4 步驟，直至巖樣固定器的刻度到達(dá)“24”號刻度，沖擊鑿巖過程結(jié)束。

（8）用游標(biāo)卡尺測量鑿眼直徑，用深度游標(biāo)卡尺測量鑿眼的深度，測量應(yīng)準(zhǔn)確至0.01 mm。

1.1.5 巖石鑿碎比功分級

巖石的鑿碎比功值大致在20～90 kg·m∕cm3范圍內(nèi)，常見代表性巖石鑿碎比功分級見表1。

表1 巖石鑿碎比功分級

1.2 巖石物理、力學(xué)指標(biāo)等試驗

1.2.1 試樣的制備

（1）按照《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50266—2013）[8]、《鐵路工程巖石試驗規(guī)程》（TB 10115—2023）[9]對試樣尺寸的相關(guān)規(guī)定：單軸抗壓試驗、彈性模量、縱波波速試驗采用圓柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件，試件直徑宜為48～54 mm，試件高度與直徑之比宜為2.0～2.5；試件直徑應(yīng)大于巖石最大顆粒尺寸的10倍[10]。

（2）試件精度應(yīng)符合下列要求：沿試件高度、直徑的誤差不得大于0.3 mm；試件兩端面不平行度誤差不得大于0.05 mm；端面應(yīng)垂直于試件軸線，偏差不得大于0.25°。

1.2.2 試驗方法

（1）單軸抗壓強度分3 種狀態(tài)進(jìn)行試驗，包括：干抗壓強度、飽和抗壓強度、天然抗壓強度；彈性模量、泊松比、縱波波速試驗采用天然狀態(tài)試件；單軸抗壓強度、彈性模量試驗在100 kN、300 kN、2 000 kN壓力機上進(jìn)行。

（2）巖石薄片鑒定是將粘好的巖樣，首先在磨片機上用100 號、120 號金剛砂與水混合粗磨，厚度磨至0.28～0.40 mm；再用W28 號金剛砂與水混合，在磨片機上磨至0.12～0.18 mm；然后用W20 號、W10 號金剛砂與水混合，在磨片機上逐級磨至0.04～0.05 mm；最后用W7號金剛砂與水混合，在玻璃板上磨至0.03 mm，磨制過程中，巖樣應(yīng)保持完整，不脫膠。將薄片在偏光顯微鏡下觀察其礦物種類、形態(tài)結(jié)構(gòu)、百分含量、次生變化、受力情況及礦物的排列組合等，并結(jié)合巖石構(gòu)造、肉眼鑒定及野外產(chǎn)狀描述等，綜合確定巖石名稱[11]。

1.3 試驗成果

對隧道不同巖性樣品進(jìn)行可鉆性鑿擊試驗和巖石物理力學(xué)指標(biāo)、薄片檢定等試驗,獲得不同巖性巖石的鑿碎比功和巖石物理力學(xué)指標(biāo)值、礦物含量值及可鉆性分級表（表2）。

表2 巖石鑿碎比功與巖石物理力學(xué)指標(biāo)值、礦物含量值及可鉆性分級表

2 巖石鑿碎比功與其他參數(shù)擬合分析

運用數(shù)理統(tǒng)計，對巖石鑿碎比功和單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、縱波波速、石英含量、長石含量、云母含量進(jìn)行擬合。巖石鑿碎比功與其他指標(biāo)值擬合關(guān)系圖，如圖2—8所示。

圖2 巖石鑿碎比功a與巖石單軸抗壓強度σc擬合模型

圖3 巖石鑿碎比功a與巖石彈性模量擬合模型

圖4 巖石鑿碎比功a與泊松比μ擬合模型

圖5 巖石鑿碎比功a與縱波波速擬合模型

圖6 巖石鑿碎比功a與石英含量擬合模型

圖7 巖石鑿碎比功a與長石含量擬合模型

圖8 巖石鑿碎比功a與云母含量擬合模型

2.1 巖石可鉆性分級

（1）可鉆性分級是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)鉆進(jìn)條件下做出的巖石堅固程度的定量分級，用以表征巖石抗鉆強度的大小，是巖石物理性質(zhì)在鉆進(jìn)時的綜合表現(xiàn)，也是TBM 選擇刀盤直徑、刀盤鉆速、刀盤扭矩、掘進(jìn)推理、掘進(jìn)行程時考慮的最重要的參數(shù)之一[12]。

（2）隧道的板巖、頁巖可鉆性分級為易；片麻巖、大理巖可鉆性等級為中等，其余段中的花崗巖、二長花崗巖可鉆性等級為中難；變質(zhì)砂巖可鉆性等級為中難，其余段石英巖可鉆性等級為難，灰?guī)r可鉆性等級為中等、其余段閃長巖可鉆性等級為難。

2.2 鑿碎比功與其他數(shù)值相關(guān)性

通過巖石鑿碎比功與單軸抗壓強度、彈模、泊松比、縱波波速、石英含量、長石含量等的數(shù)值擬合分析：巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、縱波波速越大，石英、長石含量越高，巖石的鑿碎比功越大，可鉆性越難。而隨巖石的泊松比增大、云母含量增多，巖石的鑿碎比功減小，可鉆性越容易。

2.3 巖石可鉆性等級影響因素分析

通過對鐵路多個隧道巖石試件的可鉆性鑿擊試驗以及相關(guān)的物理力學(xué)等試驗研究表明：巖石的可鉆性等級從易到難均有分布，對于不同類型的巖石，可鉆性等級大小有顯著的差別。巖石可鉆性等級大小與很多因素有關(guān)，主要取決于巖石本身的特性,包括巖石的礦物成分、組織結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)等。其中直接影響因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，而巖石的物理性質(zhì)、礦物成分和組織結(jié)構(gòu)特征等主要是通過影響其力學(xué)性質(zhì)而間接影響可鉆性。

3 結(jié)論

（1）巖石中硬度高的礦物含量越高,顆粒越細(xì)、越均勻,節(jié)理、裂隙越不發(fā)育,風(fēng)化程度越低，巖石鑿碎比功越大、巖石力學(xué)值越大，可鉆性越難。反之,巖石中硬度低的礦物含量越高,巖石的鑿碎比功越小、巖石力學(xué)值越低，可鉆性越容易。

（2）通過國內(nèi)大量隧道工程TBM施工的實例表明[13],TBM 施工在可鉆性等級為極易、易、中等的圍巖中掘進(jìn)速率快、效率高,在可鉆性等級為難、極難的圍巖中的掘進(jìn)速率慢、效率低、刀盤損耗大。

（3）通過對鐵路隧道少量巖石試樣可鉆性鑿擊試驗分析研究，了解鐵路隧道巖石的工程特性，定量劃分了巖石的可鉆性等級。在具體隧道施工時，應(yīng)對試驗室數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的統(tǒng)計分析，正確判斷巖石的堅固程度和可鉆性等級，對提高隧道TBM鉆進(jìn)效率具有重要的實際意義。