TBM刀具岩石磨蚀性CAI值调整系数的应用

张恒辉，吴 炜

(1.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038)

0 引言

隧道掘进机刀具磨损以前常以等效石英含量作为单一考量指标。2010年以后，业内陆续出现了用岩石磨蚀性CAI值评价掘进机刀具敏感性的方法。CAI值考虑了等效石英含量、岩石抗压强度等多种因素，是对岩芯岩样进行试验测试的一种微观评价方法，更接近工程实际。硬岩掘进机(TBM)刀具对掘进地层的CAI值更为敏感[1]。国家铁路集团2019年发布的《铁路隧道掘进机法技术规程》[2](简称 “技术规程”)对岩石磨蚀性CAI值进行了规范定义。杨延栋等[3]研究了滚刀刀具磨损评价的方法。张厚美[4]提出了滚刀重复破碎与二次磨损经验模型。孙振川等[5]基于特定工点提出TBM滚刀磨损规律，但目前国内尚未发布评价或推导高磨蚀指数条件下TBM刀具定额消耗量的成果。

本文根据样本工点不同石英含量TBM掘进刀具消耗测定值，结合等效石英含量与CAI值的相关性分析，推导出不同CAI值的TBM刀具消耗量调整系数并进行符合性验证。

1 岩石磨蚀性CAI值

1.1 CAI值的含义

法国Cerchar研究所1986年提出了CAI值(Cerchar abrasiveness index)的概念。CAI作为一种用于衡量岩石磨蚀性的参数，需通过Cerchar划痕试验测得。试验原理是对一根带90°圆锥角的钢针施加70 N的载荷，使其对被测岩样产生压力；然后将钢针移动10 mm，划过岩石表面，钢针锥顶端部位会产生磨损；再测量钢针的锥顶端部的直径，以1/10 mm为单位，即得到岩样的CAI值。根据“技术规程”，掘进法施工隧道在遇到硬质岩和软质岩时，必须对岩石磨蚀性指数进行测定，并给出岩石磨蚀性等级，见表1。

表1 岩石磨蚀性分级标准

1.2 CAI值的测试方法

CAI测试采用的钢针直径为10 mm，锥角90°，材料为40Cr(HRC45～50)；岩样直径为50 mm，表面打磨平整。试验过程中在每个岩样120°方向分别划1次。钢针划过岩样后，测定钢针尖头磨损后的宽度，并通过相应计算获得岩石CAI值，试验过程如图1所示。

(a)试验用钢针

2 CAI值与刀具磨蚀指标的相关性

2.1 CAI值应用的可行性

Wijk[1]通过微型滚刀磨损试验提出滚刀磨损速率(切削单位体积岩石时滚刀的质量损失量，g/m3)与岩石CAI值呈幂函数关系(幂指数为2)。杨延栋等[3]通过现场试验提出滚刀刀圈损失率Vs(TBM掘进单位距离的滚刀损失量，mm/m3)与岩石CAI值之间呈幂函数关系，即：

Vs=0.002 9e1.178 3Kv·CAI。

(1)

式中Kv为岩体完整性系数。

可见岩石磨蚀性指数CAI值对滚刀磨损的影响尤为明显，当KV值相对稳定时，CAI值可作为滚刀磨损地质影响因素的评价指标[6]。隧道围岩判定标准为围岩基本质量指标BQ值，而BQ值由岩石完整性和抗压强度确定，即：

BQ=100+3Rc+250Kv。

(2)

式中Rc为岩石单轴抗压强度，MPa。

因而刀具CAI调整系数建立在不同围岩定额消耗量的基础上是可行的。

2.2 岩石磨蚀性的影响因素

掘进机刀具磨损量主要受岩石抗压强度、岩石矿物含量、岩体完整性等因素的影响，而岩石磨蚀性CAI值从细观角度评价岩石的磨蚀性，可以通过试验评判岩石抗压强度、岩石矿物含量对岩石磨蚀性CAI值的影响规律。

岩石一般含有多种矿物含量，石英是岩石中主要的磨蚀性矿物，岩石石英含量对岩石的磨蚀性影响较大，但岩石中其他硬质矿物成分也会对滚刀造成磨损，如钾长石、斜长石、方解石等，仅考虑石英含量比较片面。因此，提出等效石英含量EQC的概念作为衡量岩石矿物成分含量对岩石磨蚀性影响的指标，等效石英含量的计算方法为把岩石中所有矿物的质量百分比乘以该矿物Rosival硬度与石英Rosival硬度的比值，然后将求和的结果作为该岩石的等效石英含量。

岩石单轴抗压强度UCS是评价岩石强度的重要指标，随着岩石单轴抗压强度的增加，滚刀寿命逐渐缩短。岩石的抗压强度反映了岩石对滚刀滚压破碎时的抵抗程度。岩石抗压强度越高，滚刀破碎岩石时刀刃所受载荷越大，岩石中的硬质颗粒对滚刀表面的材料剥落越厉害，滚刀的磨损量越大。

3 岩石磨蚀性CAI值的应用研究

3.1 CAI值应用现状

目前，国内建设标准中尚未明确岩石磨蚀性指数的试验方法及划分标准。根据“技术规程”，岩石磨蚀性测试方法一般采用法国Cerchar研究所的试验方法[2]。国外厂家如德国海瑞克、美国罗宾斯等已利用CAI值用于刀具消耗预测和投标，美国已基于CAI值建立了相关的岩石磨蚀性测试标准。中铁隧道局盾构及掘进技术国家重点实验室已开展岩石磨蚀性的试验服务，用于刀具寿命评价，取得了良好的社会效益。

在编制铁建设〔2020〕155号《铁路隧道TBM及超长工区施工等补充预算定额》[7](简称 “155号定额”)时，尚无CAI值与TBM刀具消耗量直接对应的定额测定研究成果，但有大量石英含量与TBM刀具消耗量对应关系的定额测定资料可参考。文献[3]和文献[8]表明等效石英含量与CAI值有一定的对应关系，两者存在可转换性。部分盾构、TBM掘进工程现场局部段落岩石取样检测单轴抗压强度、等效石英含量与CAI值对应关系如表2所示。

表2 部分盾构、TBM掘进工程现场局部段落对应岩石磨蚀性分级

3.2 定额刀具消耗量磨蚀指数调整系数分析推导

为全面反映掘进地层等效石英含量、单轴抗压强度、岩层整体性等指标对刀具消耗的影响，经调研铁路工程高黎贡山隧道、秦岭隧道和水利工程引汉济渭隧洞等样本工点的TBM掘进数据，基于《陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程TBM掘进段刀具消耗分析报告》(简称“引汉济渭报告”)中的现场测定研究成果，并根据岩层完整性系数差异，完善刀具消耗调整数据；再根据建模公式结合石英含量和抗压强度换算磨蚀指数，从而推导出可用于预算定额的刀具消耗量CAI值调整系数。

3.2.1 引汉济渭工程秦岭隧洞TBM刀具消耗研究成果

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程已掘进段以石英岩、花岗岩为主，围岩强度高、完整性好、石英含量高，掘进岩层耐磨值范围广。围岩抗压强度为80～306.04 MPa，平均152.5 MPa；石英含量为43.6%～92.6%，平均69.4%，完整性系数平均达0.8。根据“引汉济渭报告”测定数据统计分析，在不同围岩等级及等效石英含量>45%时，刀具消耗指标见表3。当20%<隧洞岩石等效石英含量≤45%时，刀具消耗量按1.40系数调整。当等效石英含量>45%时，刀具消耗量调整系数见表4。

表3 引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM工程(开挖直径8.02 m)刀具消耗量

表4 引汉济渭工程刀具消耗量调整系数

3.2.2 现场测定数据的调整完善

考虑到只看石英含量和单轴抗压强度还不能客观反映刀具磨耗规律，上述“引汉济渭报告”数据来源于岩层完整性系数平均达0.8的引汉济渭秦岭隧洞岭南工区，比通常隧道的完整性系数要高[9]，表3、表4数据有其特殊性，但用于预算定额还需进一步调整完善。根据文献[3]和文献[8]给出的岩体完整性系数影响经验公式(见式(1))，并结合盾构及掘进技术国家重点实验室试验数据进行了调整，调整后预算定额拟采用数据见表5。

表5 补充定额采用的刀具消耗量调整系数

3.2.3 磨蚀指数CAI值与等效石英含量、抗压强度的换算

为使预算定额编制符合“技术规程”有关TBM刀具磨蚀敏感性指标的相关要求，也更全面、科学地反映刀具磨蚀规律，需要将石英含量和单轴抗压强度指标转化为磨蚀指数CAI值。本文引用文献[3]中的经验公式进行换算。

CAI=0.816 4 ln(Rc·QE)+0.176 1。

(3)

式中QE为等效石英含量，%。

QE、Rc与CAI值换算如表6所示[10-11]，具体操作为：1.0≤CAI<2.0引用“等效石英含量15%～25%”栏的验算值；2.0≤CAI<3.0引用“等效石英含量25%～35%”栏的验算值；3.0≤CAI<4.0引用“等效石英含量35%～65%”栏的验算值；4.0≤CAI<5.0引用“等效石英含量65%～85%”栏的验算值；CAI≥5.0引用“等效石英含量>85%”栏的验算值。

表6 磨蚀指数CAI值换算对应表

3.2.4 预算定额应用值

为使TBM定额消耗量符合高磨蚀指数岩层掘进的客观规律，定额使用说明中引入了上述换算而来的刀具定额消耗量CAI值调整系数(见表7)。

表7 不同磨蚀指数岩层掘进TBM刀具定额消耗量调整系数

3.3 预算定额CAI值调整系数数据验证

3.3.1 TBM刀具定额基础消耗量对比验证

大瑞铁路高黎贡隧道TBM于2018年2月1日正式始发掘进，前5个月掘进段地质以Ⅲ、Ⅳa和Ⅳb为主，岩质偏软、偏破碎[12]。抽检石英含量均值低于20%，磨蚀指数均值在0.5～1，其测定数据可验证“155号定额”基础定额消耗量的适用性，统计对比见表8和表9。

表8 高黎贡山隧道正洞(开挖直径9.03 m)TBM刀具消耗量统计

表9 高黎贡山隧道TBM刀具消耗量对比结果

统计数据显示，TBM正边滚刀消耗量实测数据高于“155号定额”5.7%，中心刀高60%，而刮刀则低45%，结合对应消耗量量化成金额时高黎贡山隧道实测比155号定额高2.37%。表明采用“155号定额”中刀具定额消耗量作为调整基数符合掘进刀具消耗规律。

3.3.2 TBM刀具消耗量CAI值调整系数验证

为了验证TBM定额刀具消耗量调整系数的合理性，用“技术规程”中13.11.8南疆中天山隧道、引汉济渭秦岭隧洞刀具消耗量数据与“155号定额”的刀具消耗量调整值进行同条件对比验证，见表10。

表10 TBM刀具消耗量CAI值调整系数验证

由表10可知，当磨蚀指数大于2且小于5时，“技术规程”中现场测定的刀具消耗量明显大于“155号定额”消耗量调整值，平均大37.7%左右；磨蚀指数小于2时，现场测定的消耗量略低于“155号定额”消耗量调整值，平均低1%左右。整体上看，现场测定消耗量比“155号定额”消耗量调整值高19.7%左右。对比验证结果表明，“155号定额”调整系数的使用使定额消耗量与现场实测值大幅接近，高磨蚀性部分略低于现场统计值，基本符合定额计价要求。经分析，南疆中天山隧道、引汉济渭秦岭隧洞的刀具消耗量偏高与其掘进机超龄、刀具国产化替代等因素有关。

4 结论与讨论

上述研究分析表明，通过现有石英含量与TBM刀具消耗量相关性的测定与试验数据推导得到CAI值与TBM刀具消耗的相关规律是可行的。本文定额数据统计分析过程和换算方法被“155号定额”用于预算定额TBM掘进刀具消耗量调整系数的编制。在建川藏铁路有色季拉山隧道、伯舒拉岭隧道等多个TBM标段，前期勘探设计揭示的掘进地质复杂，CAI值最高可达4.0以上。后期应结合岩体完整性指标，通过川藏铁路TBM施工实践进一步验证和完善刀具消耗定额CAI值调整系数。

用一定条件的变化值调整重要材料消耗量是投资估算、施工成本分析的科学手段，准确的消耗量调整系数可以使消耗预测在特定条件下尽量接近实际，避免投资估算和成本测算出现重大误差。同时，调整系数的使用会导致高CAI值掘进段延米综合造价指标增加显著，从而应用经济指标来影响设计单位对复杂地质隧道掘进方式或工法的选择，避免不良地质隧道施工盲目采用TBM，造成投资浪费。