郭 璐，陳 饋，李鳳遠，韓偉鋒

(盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著我國隧道及地下工程的快速發(fā)展，TBM、盾構(gòu)等各類隧道掘進機械得到了廣泛應(yīng)用。刀具作為隧道掘進機械開挖的關(guān)鍵部件，在施工中起到非常重要的作用，刀具的磨損程度直接關(guān)系到掘進效率和經(jīng)濟效益［1－3］。從目前隧道施工生產(chǎn)實踐來看，復(fù)雜多變的地質(zhì)體是影響刀具磨損的重要因素之一［4］，如何采用有效的參數(shù)指標(biāo)來衡量巖石的磨蝕特性已成為國內(nèi)外專家關(guān)注的熱點。

目前，一些研究采用巖石抗壓強度來衡量巖石的磨蝕特性，認(rèn)為巖石抗壓強度越高磨蝕性就越強，但是單純采用巖石抗壓強度這一個物理特性指標(biāo)來衡量巖石的磨蝕性并沒有充分從巖－機結(jié)合的角度進行考慮［5－6］;還有一些研究采用石英含量來評價巖石磨蝕特性的強弱，認(rèn)為石英是巖石中的主要磨蝕性礦物，石英含量對巖石磨蝕性有著較大影響，石英含量越高，巖石的磨蝕性就越強［7－8］，但是巖石中除了石英還含有其他像長石、輝石、閃石等硬度也很高的礦物，這些礦物對巖石磨蝕性影響也比較大，因此只用石英含量衡量巖石磨蝕性強弱也不充分。

盡管巖石的磨蝕性明顯地影響了掘進速度和刀具材料的消耗，但這方面的研究還很少，至今在國內(nèi)乃至國際還未建立起統(tǒng)一、規(guī)范的巖石磨蝕性指標(biāo)，也缺乏較通用的測定巖石磨蝕性的實驗裝置。本文從巖－機結(jié)合的角度出發(fā)，開展一種新的巖石磨蝕性實驗方法研究，與傳統(tǒng)的實驗方法相比，該方法具有裝置簡單、操作方便、無破壞性的優(yōu)點，對試樣的要求不高，且?guī)r石磨蝕值是一個綜合性指標(biāo)，指導(dǎo)性更強。

1 巖石磨蝕性實驗

1.1 實驗原理

巖石磨蝕性實驗是由法國Cerchar研究所在1973年提出，并在1989年由West對109個巖石樣本進行了量化分類［9－10］，建立了巖體特性與磨蝕系數(shù)間的關(guān)系，其準(zhǔn)確性在大量工程中得到了驗證。實驗采用一根合金鋼針(錐角90°)在70 N的荷載下摩擦巖石表面，鋼針在巖石表面緩慢(10 mm/min)移動10 mm后，其針尖損失的平均直徑(以×10－1mm為計量單位)被定義為巖石磨蝕系數(shù)。

1.2 實驗設(shè)備

盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室ATA－IGGI巖石磨蝕伺服實驗儀如圖1所示，該實驗設(shè)備由磨蝕實驗裝置部分和量測記錄部分組成。磨蝕實驗裝置部分由計算機、EDC控制器、框架、伺服電機、變速箱、傳動系統(tǒng)、虎鉗、鋼針及夾具組成;量測記錄部分有鋼針磨蝕測量裝置(高清數(shù)碼顯微鏡)，同時，與Cerchar傳統(tǒng)的實驗設(shè)備相比，該設(shè)備的量測記錄部分增加了水平光柵位移傳感器、垂向光柵位移傳感器、力傳感器，可以實時獲得水平力值、水平位移值、垂向位移值、巖石刻痕深度值;實時監(jiān)測實驗過程數(shù)據(jù)曲線，對于深入研究巖石磨蝕性對刀具磨損的影響具有一定的參考意義。

實驗設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 ATA-IGGI巖石磨蝕伺服實驗儀Fig.1 ATA-IGGI rock abrasiveness servo system

1.3 實驗方法

1)實驗巖樣的制備非常重要，通過取芯機、自動巖石切割機、雙端面磨石機將原始巖樣經(jīng)過鉆、切、磨3道工藝加工成直徑為(50±1)mm、高度為(40±1)mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣上、下端面保持平行，試樣端面的平面度公差＜0.05 mm，端面對于試樣軸線垂直度偏差≤0.25°。加工后的試樣如圖2所示。

表1 ATA-IGG I巖石磨蝕伺服實驗儀主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of rock abrasiveness servo system(ATA-IGGI)

圖2 巖石磨蝕性實驗標(biāo)準(zhǔn)試樣Fig.2 Standard samples for rock abrasiveness test

2)實驗前，先用60倍高清數(shù)碼顯微鏡確認(rèn)實驗原始鋼針針尖是否完好，針尖錐度是否為90°，并記錄下鋼針的原始典型顯微圖像。

3)啟動EDC控制器，打開計算機實驗控制軟件，連接實驗機控制器，設(shè)置合適的參數(shù)，同時打開測量系統(tǒng)，使實驗機先以10 mm/min的位移速度空轉(zhuǎn)5 mm并歸位，檢查伺服控制器與伺服電機是否正常運行，檢查位移、力和時間測量是否正常;所有部件正常后進行下一步實驗，不正常停機檢查。

4)將鋼針放入夾具內(nèi)，擰緊夾具;再將實驗巖樣放入虎鉗中，轉(zhuǎn)動虎鉗手柄夾緊巖樣至不晃動即可，保證巖樣實驗面水平，緩緩旋下主機荷重，使鋼針針尖與試樣表面接觸，并注意在安裝鋼針并放置到實驗巖樣上時一定要輕，避免放針過猛導(dǎo)致針尖被撞磨而造成人為誤差。

5)在實驗控制軟件上新建一個項目，重新設(shè)置參數(shù)，使鋼針在試樣表面以10 mm/min的位移速度水平移動10 mm。

6)取下鋼針放在60倍顯微觀測儀載物臺上，調(diào)整鋼針位置和觀測儀焦距，用測量軟件測量磨損后鋼針針尖直徑;再將鋼針軸向旋轉(zhuǎn)120°2次，進行三分旋轉(zhuǎn)實驗，記錄3次鋼針針尖測量數(shù)據(jù)，并記錄鋼針磨蝕后測量的典型顯微圖像。

7)根據(jù)顯微鏡測量標(biāo)定換算，以×10－1mm為測量單位，將鋼針測量數(shù)據(jù)換算為巖石的磨蝕值，3次換算的算術(shù)平均值作為該方向的磨蝕值。

8)每組實驗巖樣不少于3塊，由于巖石的各向異性，應(yīng)當(dāng)在試樣表面劃痕2次，并且2次劃痕方向相互正交，取其平均值作為該試樣的磨蝕值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 巖石磨蝕值的換算

巖石磨蝕性實驗充分考慮巖石與鋼針的相互作用，通過鋼針針尖損失的平均直徑來表征巖石的磨蝕值。用60倍高清數(shù)碼顯微鏡測得鋼針磨損的直徑并經(jīng)過換算得到巖石的磨蝕值。

鋼針磨損直徑

式中:d為鋼針磨損直徑實際值，μm;L為鋼針磨損直徑測量值(如圖3所示)，μm;α為顯微鏡標(biāo)定系數(shù)。

巖石磨蝕值為d/100(單位:×10－1mm)。

圖3 鋼針磨損直徑測量值圖例Fig.3 Measurement of stylus wear diameter

1.4.2 巖石磨蝕性等級

法國 Cerchar研究所 (1986年)和 Thuro，Plinninger(1998年)在大量實驗的基礎(chǔ)上將巖石磨蝕值與巖石磨蝕性之間的關(guān)系進行了分類，如表2所示。從表2可以看出，巖石磨蝕值越大對應(yīng)巖石的磨蝕性就越高。

表2 巖石磨蝕性等級分類表Table 2 Classification of rock abrasiveness

2 巖石磨蝕性實驗的工程應(yīng)用

選用廣州某地鐵施工項目為研究對象，從施工現(xiàn)場取回具有代表性的3種不同巖石進行磨蝕性實驗，并將3種巖石磨蝕值結(jié)果與施工現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)對比分析，深入研究巖石磨蝕性與刀具磨損之間的關(guān)系。

2.1 巖石磨蝕值結(jié)果

將取回的3種巖石分為3組，每組選擇3個實驗巖樣并分類編號，按照上述巖石磨蝕性實驗方法進行巖石磨蝕性實驗，磨蝕值結(jié)果見表3所示。對比巖石磨蝕性等級分類表可以發(fā)現(xiàn)3種巖石的磨蝕性依次增強。

表3 3種巖石磨蝕值結(jié)果統(tǒng)計表Table 3 Test results of abrasiveness of three types of rocks

2.2鋼針磨蝕前后對比結(jié)果

由于鋼針的材料為40CrNiMo，與滾刀刀圈的材質(zhì)類似，鋼針針尖的磨損照片更能直觀反映巖石對滾刀的磨蝕性，因此將3種巖石鋼針磨蝕前后的照片(表4所示)對比發(fā)現(xiàn):1#巖石的磨蝕值為1.38時，鋼針針尖已經(jīng)發(fā)生了磨損，但針尖損耗的直徑并不大，說明磨損比較輕微;2#巖石的磨蝕值為3.38時，鋼針發(fā)生了非常明顯的磨損，并且針尖邊沿處還發(fā)生了應(yīng)力變形;3#巖石的磨蝕值為4.21時，鋼針針尖的磨損直徑較前2種明顯有所增大，說明巖石的磨蝕性明顯增強，對刀具的磨損更厲害。從巖石表面劃痕照片來看，磨蝕值低的巖石，鋼針在上面的劃痕深度明顯，說明巖石磨蝕性比較弱，相反，磨蝕值高的巖石，鋼針在上面的劃痕就不是很明顯，劃痕深度也比較淺，說明巖石磨蝕性比較強。

表4 鋼針磨蝕前后照片及巖石劃痕照片Table 4 Pictures of stylus wearing and rock scratching

2.3 施工現(xiàn)場刀具磨損情況

3種不同磨蝕性的巖石各代表3段不同的掘進區(qū)間，收集這3段區(qū)間內(nèi)相同位置3把滾刀的磨損數(shù)據(jù)，將滾刀平均磨損量與巖石的磨蝕值進行對比分析得到刀具磨損量與巖石磨蝕性之間的關(guān)系，如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為掘進區(qū)間，每段均選取30環(huán)左右，各記錄5個磨損數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為3把滾刀磨損的平均值，為了方便對比分析，將曲線顯示在同一坐標(biāo)軸下，起始環(huán)的磨損量均記為零。從圖4可以直觀、清晰地看到，巖石磨蝕性越強，刀具磨損量相對越大，從而更加真實地反映出巖石磨蝕性對刀具磨損的影響。

3 結(jié)論與建議

本文從巖－機結(jié)合的角度出發(fā)，充分考慮巖石與鋼針之間的相互作用，開展一種新的巖石磨蝕性實驗方法，確定了一種新的衡量巖石磨蝕性指標(biāo)，并將施工現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)與巖石磨蝕值進行對比分析，直觀反映出刀具磨損與巖石磨蝕性之間的關(guān)系，驗證了該實驗方法的可靠性。巖石磨蝕性實驗對于研究和判定刀具的磨損是非常有用的，能夠有效地指導(dǎo)施工工程。但目前對該實驗方法的研究尚處在一個初始階段，巖石磨蝕值與刀具磨損量之間的關(guān)系還缺乏一些實際的量化指標(biāo)，建議把巖石磨蝕性實驗和刀具破巖模擬實驗以及現(xiàn)場刀具磨損數(shù)據(jù)相結(jié)合，深入研究巖石磨蝕性對刀具磨損的影響。

圖4 刀具磨損量與巖石磨蝕值之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between cutting tool wearing and rock abrasiveness

［1］ 傅德明.我國隧道盾構(gòu)掘進機技術(shù)的發(fā)展歷程［J］.建設(shè)科技，2002(9):79 －80.(FU Deming.Development of the tunnel boring machine technology in our country ［J］.Construction Science and Technology，2002(9):79 － 80.(in Chinese))

［2］ 李太成.隧洞掘進機施工的刀具損耗分析［J］.水利電力機械，2004，26(4):20 － 23.(LI Taicheng.Study on cutter consumption of tunnel construction［J］.Water Conservancy＆ Electric Power Machinery，2004，26(4):20 － 23.(in Chinese))

［3］ 馬廣州.盾構(gòu)掘進中刀具磨損的跟蹤檢測［J］.隧道建設(shè)，2006，26(2):65 － 68.(MA Guangzhou.Cutter wearing predictions during boring of shield machine［J］.Tunnel Construction，2006，26(2):65 －68.(in Chinese))

［4］ 王石春.隧道掘進機與地質(zhì)因素關(guān)系綜述［J］.世界隧道，1998(2):39 － 43.(WANG Shichun.Review on the relationship between TBM and geological factors［J］.World Tunnelling，1998(2):39 －43.(in Chinese))

［5］ 王磊.隧道巖石耐磨性與巖石強度的相關(guān)性研究［J］.四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版，1997，1(6):26－30.(WANG Lei.A research lot the correlativity between rock abrasivity and rock compression strength of tunnel［J］.Journal of Sichuan Union University:Engineering Science Edition，1997，1(6):26 －30.(in Chinese))

［6］ 王華，吳光.TBM施工隧道巖石耐磨性與力學(xué)強度相關(guān)性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(5):57－60.(WANG Hua，WU Guang.A research on the correla-tivity between rock abrasion and mechenical strength of TBM construction tunnel［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2010，37(5):57 －60.(in Chinese))

［7］ S L AL-Ameen，M D Waller.The influence of rock strength and abrasiveness mineral content on the Cerchar Abrasiveness Index［J］.Engineering Geology，1994(36):293 －301.

［8］ 楊志勇，江玉生，馮吉利，等.獅子洋隧道圍巖磨蝕性研究［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，13(3):312 － 313.(YANG Zhiyong，JIANG Yusheng，F(xiàn)ENG Gili，et al.Abrasivity characteristics of surrounding rock mass of Shiziyang tunnel［J］.Journal of PLA University of Science and Technology:Natural Science Edition，2012，13(3):312 －313.(in Chinese))

［9］ G West.Rock abrasiveness testing for tunneling［J］.Int.J.rock.Mech.Min.Sci，1989，26(2):151 －156.

［10］ G West.A relation between abrasiveness and quartz content for some coal measures sediments［J］.International Journal of Mining and Geological Engineering，1989(4):73－78.