基于TBM施工的岩石耐磨性研究

刘克振　周慧广　邢介奇　孙梦醒

摘 要：随着TBM在隧道施工工程中的普遍应用，岩石耐磨性对施工的影响引起工程技术人员的日益关注。为了弄清不同岩石的耐磨性，应用自主研发的耐磨仪对某隧道5个区段的岩石样品进行了耐磨性测试，并对不同岩石耐磨性进行了等级划分。

关键词：隧道施工；岩石耐磨性；等级划分

对于物质耐磨性的研究在机械、金属材料领域开展较久，研究成果也非常丰富。相比之下，在岩石、土木与工程领域对耐磨性的研究还不多。研究岩石耐磨性的工作起步较晚，它是和采矿工程中岩石可钻性（可钻性表示岩石钻进的难易程度）的研究同时起步的。随着我国大型工程对TBM的使用，隧道施工中与岩石耐磨性的关系引起了工程技术人员的关注，对岩石的耐磨性进行了各个方面的研究。文章基于自主研发的耐磨仪对某隧道工程5个区间岩石经行耐磨性测试，对各类岩石进行耐磨性划分。

1 耐磨仪研制的设计原则及设计的主要参数

1.1 岩石耐磨仪的设计原则

（1）耐磨仪各部件的刚度和稳定性达标；（2）钢针固定器应当与岩石样品表面垂直，保证钢针与岩样表面垂直；并且钢针针杆无弯曲；（3）钢针上要求能够承受一定的垂直荷载；（4）钢针水平移动位移距离一定，以保证每组测试数据结果具有可对比性；（5）钢针保持位移水平，推动钢针移动的横柄应当水平移动，故横柄与手柄以铰接作为连接方式，以确定手柄对横柄的推力维持在一定的水平度范围内；（6）钢针必须具有固定的对应硬度值和强度值。

1.2 岩石耐磨仪的设计参数

根据此设计原则的要求，耐磨仪的主要参数指标设计为：钢针的水平移动距离固定为1.0cm，钢针上所加的固定荷载为7.0kg。整个仪器框架整体固定在车床上，以保证它在实验过程中不发生移动且具有足够的稳定性。所用钢针的直径为6mm，钢种为合金45号钢，钢针的洛氏硬度为55，针尖为60°锥角形，耐磨仪的框架构架用角钢、钢板做成，硬度和钢度均能满足设计要求。

基于以上设计思想和原则自行研制了隧道TBM施工需要的岩石耐磨性测试试验仪。

2 试验步骤

（1）对应于不同区间的每个箱子的每块岩石编上8根钢针，从1号到8号，8根钢针放一个袋子中，并在袋子上编好岩石上的编号。（2）将奥林巴斯多功能显微镜调成100倍焦距对钢针针尖的直径进行测量，读数精确至0.00001mm。（3）找出钢针所对应的岩石，将岩石砸成几块，前期做试验因为岩石表面粗糙不平容易造成钢针的脆断，所以对砸好的岩石的表面都用磨平机磨平，固定好岩石，安装好钢针，缓慢放下砝码，让钢针针尖和岩石刚好接触，转动手柄，看准刻度，让钢针在岩石表面划上1cm，一块岩石划上8根针。（4）再次将磨完岩石的钢针至于显微镜下观测，对钢针磨损部分的直径读书记录下来，读书精确至0.00001mm。（5）以上两个钢针直径的差值就是该次岩石的耐磨值，8根钢针8个耐磨性差值，取平均值。最后，将耐磨性差值的平均值乘以10，即得到岩石耐磨性指数CAI。

3 数据处理

主要对某市隧道工程5个区间的岩样进行耐磨性试验。5个区间共有20箱，380块岩样。

本次试验中，我们自行设计的耐磨性仪器钢针上所加固定荷载为7.0kg，钢针为45号钢，钢针的洛氏硬度为55。因此根据岩石耐磨仪的主要性能和隧道施工岩石条件，提出某市隧道岩石耐磨性等级划分表见表1。岩石耐磨性指数CAI值汇总表见表2。

4 结束语

通过对某隧道工程5个区间的岩石的耐磨性研究，我们可以得出5个区间中粗粒花岗岩（微）为中耐磨性-极强耐磨性：（1）粗粒花岗岩为中耐磨性-高耐磨性；（2）粗粒花岗岩（中）为极低耐磨性-强耐磨性；（3）细粒花岗岩都为高耐磨性；（4）细粒花岗岩（微）为中耐磨性-强耐磨性；（5）煌斑岩为极低耐磨性-中耐磨性；（6）煌斑岩（微）为极低耐磨性-中耐磨性；（7）碎裂状花岗岩为中耐磨性；（8）碎裂状花岗岩（中）为中耐磨性；（9）花岗斑岩（微）中耐磨性-强耐磨性。

影响岩石耐磨性的因素有很多，岩石所含矿物成分种类与各类矿物的含量是影响岩石耐磨性的直接因素，也是主要的因素之一。通常情况下，岩石中硬度较高的矿物（例如石英、长石、角闪石等） 含量越高，岩石的耐磨值就越大；相反，岩石中硬度较低的矿物（例如黑云母、白云母、方解石、绿泥石等）含量越高，相应的岩石的耐磨值越小。岩石内矿物硬度及其含量对决定着该岩石耐磨性的大小起着关键作用。根据国内外大量TBM施工工程实例，当TBM在低-中等耐磨性的围岩中掘进时效率较高，而在强-特强耐磨性围岩中的掘进效率大大降低。通过岩石耐磨性研究，可以为更好地减少TBM刀具损耗，提高施工的经济性，并为施工技术提供重要的参数。

参考文献

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[2]罗华.基于TBM施工的隧道岩石耐磨性与莫氏硬度的关系研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010，5：205-207.

[3]王华，吴光.TBM施工隧道岩石耐磨性与力学强度相关性研究[J].水文地质工程地质，2010，5：57-60+107.

[4]朱宝龙，李晓宁.岩石耐磨仪实验装置研制[J].实验技术与管理，2015，6：64-68.

作者简介：刘克振（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：地质工程。