劉克振　周慧廣　邢介奇　孫夢(mèng)醒

摘 要：隨著TBM在隧道施工工程中的普遍應(yīng)用，巖石耐磨性對(duì)施工的影響引起工程技術(shù)人員的日益關(guān)注。為了弄清不同巖石的耐磨性，應(yīng)用自主研發(fā)的耐磨儀對(duì)某隧道5個(gè)區(qū)段的巖石樣品進(jìn)行了耐磨性測(cè)試，并對(duì)不同巖石耐磨性進(jìn)行了等級(jí)劃分。

關(guān)鍵詞：隧道施工；巖石耐磨性；等級(jí)劃分

對(duì)于物質(zhì)耐磨性的研究在機(jī)械、金屬材料領(lǐng)域開(kāi)展較久，研究成果也非常豐富。相比之下，在巖石、土木與工程領(lǐng)域?qū)δ湍バ缘难芯窟€不多。研究巖石耐磨性的工作起步較晚，它是和采礦工程中巖石可鉆性（可鉆性表示巖石鉆進(jìn)的難易程度）的研究同時(shí)起步的。隨著我國(guó)大型工程對(duì)TBM的使用，隧道施工中與巖石耐磨性的關(guān)系引起了工程技術(shù)人員的關(guān)注，對(duì)巖石的耐磨性進(jìn)行了各個(gè)方面的研究。文章基于自主研發(fā)的耐磨儀對(duì)某隧道工程5個(gè)區(qū)間巖石經(jīng)行耐磨性測(cè)試，對(duì)各類巖石進(jìn)行耐磨性劃分。

1 耐磨儀研制的設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

1.1 巖石耐磨儀的設(shè)計(jì)原則

（1）耐磨儀各部件的剛度和穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)；（2）鋼針固定器應(yīng)當(dāng)與巖石樣品表面垂直，保證鋼針與巖樣表面垂直；并且鋼針針桿無(wú)彎曲；（3）鋼針上要求能夠承受一定的垂直荷載；（4）鋼針?biāo)揭苿?dòng)位移距離一定，以保證每組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果具有可對(duì)比性；（5）鋼針保持位移水平，推動(dòng)鋼針移動(dòng)的橫柄應(yīng)當(dāng)水平移動(dòng)，故橫柄與手柄以鉸接作為連接方式，以確定手柄對(duì)橫柄的推力維持在一定的水平度范圍內(nèi)；（6）鋼針必須具有固定的對(duì)應(yīng)硬度值和強(qiáng)度值。

1.2 巖石耐磨儀的設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)此設(shè)計(jì)原則的要求，耐磨儀的主要參數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)為：鋼針的水平移動(dòng)距離固定為1.0cm，鋼針上所加的固定荷載為7.0kg。整個(gè)儀器框架整體固定在車(chē)床上，以保證它在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)且具有足夠的穩(wěn)定性。所用鋼針的直徑為6mm，鋼種為合金45號(hào)鋼，鋼針的洛氏硬度為55，針尖為60°錐角形，耐磨儀的框架構(gòu)架用角鋼、鋼板做成，硬度和鋼度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

基于以上設(shè)計(jì)思想和原則自行研制了隧道TBM施工需要的巖石耐磨性測(cè)試試驗(yàn)儀。

2 試驗(yàn)步驟

（1）對(duì)應(yīng)于不同區(qū)間的每個(gè)箱子的每塊巖石編上8根鋼針，從1號(hào)到8號(hào)，8根鋼針?lè)乓粋€(gè)袋子中，并在袋子上編好巖石上的編號(hào)。（2）將奧林巴斯多功能顯微鏡調(diào)成100倍焦距對(duì)鋼針針尖的直徑進(jìn)行測(cè)量，讀數(shù)精確至0.00001mm。（3）找出鋼針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的巖石，將巖石砸成幾塊，前期做試驗(yàn)因?yàn)閹r石表面粗糙不平容易造成鋼針的脆斷，所以對(duì)砸好的巖石的表面都用磨平機(jī)磨平，固定好巖石，安裝好鋼針，緩慢放下砝碼，讓鋼針針尖和巖石剛好接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，看準(zhǔn)刻度，讓鋼針在巖石表面劃上1cm，一塊巖石劃上8根針。（4）再次將磨完巖石的鋼針至于顯微鏡下觀測(cè)，對(duì)鋼針磨損部分的直徑讀書(shū)記錄下來(lái)，讀書(shū)精確至0.00001mm。（5）以上兩個(gè)鋼針直徑的差值就是該次巖石的耐磨值，8根鋼針8個(gè)耐磨性差值，取平均值。最后，將耐磨性差值的平均值乘以10，即得到巖石耐磨性指數(shù)CAI。

3 數(shù)據(jù)處理

主要對(duì)某市隧道工程5個(gè)區(qū)間的巖樣進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)。5個(gè)區(qū)間共有20箱，380塊巖樣。

本次試驗(yàn)中，我們自行設(shè)計(jì)的耐磨性儀器鋼針上所加固定荷載為7.0kg，鋼針為45號(hào)鋼，鋼針的洛氏硬度為55。因此根據(jù)巖石耐磨儀的主要性能和隧道施工巖石條件，提出某市隧道巖石耐磨性等級(jí)劃分表見(jiàn)表1。巖石耐磨性指數(shù)CAI值匯總表見(jiàn)表2。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某隧道工程5個(gè)區(qū)間的巖石的耐磨性研究，我們可以得出5個(gè)區(qū)間中粗?；◢弾r（微）為中耐磨性-極強(qiáng)耐磨性：（1）粗粒花崗巖為中耐磨性-高耐磨性；（2）粗?；◢弾r（中）為極低耐磨性-強(qiáng)耐磨性；（3）細(xì)?；◢弾r都為高耐磨性；（4）細(xì)?；◢弾r（微）為中耐磨性-強(qiáng)耐磨性；（5）煌斑巖為極低耐磨性-中耐磨性；（6）煌斑巖（微）為極低耐磨性-中耐磨性；（7）碎裂狀花崗巖為中耐磨性；（8）碎裂狀花崗巖（中）為中耐磨性；（9）花崗斑巖（微）中耐磨性-強(qiáng)耐磨性。

影響巖石耐磨性的因素有很多，巖石所含礦物成分種類與各類礦物的含量是影響巖石耐磨性的直接因素，也是主要的因素之一。通常情況下，巖石中硬度較高的礦物（例如石英、長(zhǎng)石、角閃石等） 含量越高，巖石的耐磨值就越大；相反，巖石中硬度較低的礦物（例如黑云母、白云母、方解石、綠泥石等）含量越高，相應(yīng)的巖石的耐磨值越小。巖石內(nèi)礦物硬度及其含量對(duì)決定著該巖石耐磨性的大小起著關(guān)鍵作用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量TBM施工工程實(shí)例，當(dāng)TBM在低-中等耐磨性的圍巖中掘進(jìn)時(shí)效率較高，而在強(qiáng)-特強(qiáng)耐磨性圍巖中的掘進(jìn)效率大大降低。通過(guò)巖石耐磨性研究，可以為更好地減少TBM刀具損耗，提高施工的經(jīng)濟(jì)性，并為施工技術(shù)提供重要的參數(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：劉克振（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：地質(zhì)工程。