宁波某海底盾构隧道围岩耐磨性研究

刘华吉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430073）

盾构隧道在硬质岩层掘进时，刀具磨损是一类重要的工程问题，其直接影响到盾构隧道施工成本。刀具磨损与工程地质条件有很大关系，尤其与隧道围岩的耐磨性密切相关[1]。国内外研究表明，围岩耐磨性与岩石的强度、矿物组成、风化程度、岩石结构等有关。目前比较通用的岩石磨蚀性测试实验是Cerchar测试方法，并通过其测试结果CAI值来反映岩石对盾构刀具的磨损情况。由于其测试简单，且实验结果能比较好地反映岩石对刀具的磨蚀性[2-4]。

本文以宁波某海底隧道为工程背景，展开围岩耐磨性研究，采集弱风化凝灰岩和砾石进行Cerchar磨蚀性实验和岩石矿物衍射分析实验，获取隧道围岩耐磨性，探究岩石矿物组成对CAI值的影响规律。这对降低海底盾构隧道的工程成本，指导盾构机选型和刀具设计等有十分重要的意义。

1 岩石室内实验

1.1 岩石磨蚀性实验

1.1.1 实验设备

本次岩石磨蚀性实验在某大学地质科学与工程实验中心进行。实验设备采用自行研制的CAI指标实验仪（见图1）、高精度电子显微镜和HRC55型号钢针。

图1 CAI指标实验装置示意图

CAI指标实验仪由法向砝码，钢针固定器，台钳以及手曲柄组成；高精度电子显微镜用于测量钢针微观磨损量；HRC钢针主要用于对试样进行刻划，提取刻划变量参数。各实验设备具体技术参数如表1所示。

表1 各实验设备技术参数

1.1.2 制样

本次实验分别采集的7组岩样和7组砾石样品作为研究对象，岩石均为弱风化。岩石采用巴西圆盘荷载加载对岩体进行劈裂形成新鲜实验面。砾石和岩石均选择能够代表岩石矿物的试样进行编号备样。

图2 巴西圆盘实验产生的实验表面

Cerchar实验标准试样表面水平，由于取样尺寸限制，制样后保证实验面平直，并与夹持面保持垂直，使钢针与实验岩石新鲜面垂直，并保证每个实验面超过钢针刻画距离10mm。

1.1.3 实验方法

使用加工砂轮将钢针尖磨成一个90°锥形角，磨损过程中必须使用适当的冷却液，以防止因研磨而改变触针的硬度。截取实验前钢针针尖显微图像（见图3）。

图3 钢针尖端镜下图示

将试样放在实验设备夹具上，安装钢针、施加法向重量的砝码并且保持整个装置相对稳定的情况下，开始在手柄上施加水平力，使横柄沿水平方向移动10mm，施加位移过程中保持钢针运动匀速，并且保证在整个移动过程中钢针与岩石新鲜面完全接触。

将实验后的钢针放在电子显微镜载物台上，使用测量软件钢针针尖直径；将钢针旋转90°，再次量取钢针针尖直径，记录两次钢针针尖直径测量值，并保存测量时钢针针尖图像。

考虑岩石的各向异性，对每一个试样选择近似相邻的三个面作为实验面，每个表面上划两次，两次划痕方向相互正交，通过对每个磨损后钢针尖端的磨损平面尺寸测量，计算两个垂直方向上的直径d1和d2的平均值，作为实验采用值d，单位为mm。

图4 钢针尖端d值计算示意图

1.1.4 实验结果

以0.1mm为基本单位，依据公式（1）计算每一面的钢针耐磨值（CAI），最后将三个面的耐磨值（CAI）取平均值作为岩样的耐磨性值（CAI）。

比照各岩石的钢针耐磨值经验表，判断其合理性，本次实验共完成实验14组，每组10个有效实验数据以上，每组样品的CAI指标采用统计平均值。

1.2 岩石矿物成分分析实验

使用X射线衍射仪分析实验测试各岩样中的矿物组成[5]，通过公式（2）计算各种矿物含量。

式中，Xi：i矿物的百分含量，以百分数表示；Ii：i矿物选定的衍射峰积分强度；Ki：i矿物的参比强度。

2 实验结论分析

2.1 石英含量与耐磨性关系

一般认为石英是岩石中的主要磨蚀矿物，岩石中石英含量对岩石磨耗影响较大，石英含量越高，岩石的磨蚀性越强。砾石和岩石的石英含量与耐磨性指标CAI值关系如图5所示。

据图5可知，凝灰岩石英含量在20%~40%，CAI值范围在4.0~5.5之间，砾石石英含量在42%~68%，CAI值在5.1~6.7范围，可知砾石的石英含量和耐磨性指数CAI值均高于凝灰岩。从曲线走势来看，耐磨性指数变化规律与石英含量有一定关系，但是相关性不是特别强，个别石英含量高的试样其耐磨性指数CAI值却偏低，这是因为岩石磨蚀性还受到岩石中其他矿物的影响，尤其是硬度较高的矿物，例如长石、辉石等。

图5 石英含量与CAI关系分布图

2.2 岩石矿物加权硬度值对耐磨性的影响

由于地层中的其他矿物成分也具备一定的硬度，比如长石的莫氏硬度为6-6.5，因此在考虑石英含量的基础上，应对于其余矿物同样予以考虑，采用平均加权莫氏硬度[6]进行表征，其计算公式为：

式中，HM-加权平均莫氏硬度；mi-某种矿物的百分含量；HMi-矿物对应的莫氏硬度。

岩石矿物加权硬度值为岩石内每种矿物含量乘以其莫氏硬度之和。所取试样的矿物加权硬度与CAI关系见图6所示。

图6 矿物加权硬度与CAI关系分布图

可以看出，加权平均莫氏硬度与耐磨性指数CAI值变化趋势基本一致，砾石的矿物加权硬度也普遍高于凝灰岩岩石，其将对盾构机磨损有较大的影响。

所取14组样品的岩石矿物加权硬度值与岩石耐磨性指数CAI值的关系如图7所示，可得到矿物加权硬度与岩石耐磨性指数CAI之间的拟合方程为CAI=2.858×HM-11.849，相关系数R=0.9677。

图7 岩石矿物加权硬度与CAI拟合关系图

从拟合结果来看，岩石的矿物加权硬度值与CAI值呈现非常好的线性关系，说明岩石矿物加权硬度值可以更准确地反映岩石矿物组成对磨蚀性的影响。

3 结束语

本文研究表明：（1）宁波该海底隧道盾构开挖过程中砾石的CAI指标5.1~6.7；凝灰岩CAI在4.0~5.5；砾石和凝灰岩对盾构机刀具均有较强的磨蚀性。因此盾构设计和刀具布置选择时应充分考虑砾石和凝灰岩对盾构施工的影响。（2）耐磨性指数变化规律与石英含量有一定关系，但是相关性不是特别强，研究表明，岩石矿物加权平均莫氏硬度与岩石耐磨性指数线性相关性较好，更能准确地反映岩石矿物组成对与耐磨性之间的关系。