引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞巖石耐磨性與三軸強(qiáng)度的相關(guān)性試驗(yàn)研究

劉 戀，郭建平，王 華

(1.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 四川 成都 610072；2.西南交通大學(xué) 土木學(xué)院， 四川 成都 610031)

1 前 言

我國(guó)水利水電工程最早使用TBM施工是在20世紀(jì)70年代云南西洱河一級(jí)電站引水隧道工程。隨后在鐵路隧道工程領(lǐng)域應(yīng)用也越來越頻繁。

隨著TBM施工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，TBM施工技術(shù)越來越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究。在TBM施工中，掘進(jìn)機(jī)刀盤刀具參數(shù)的選擇至關(guān)重要，刀具的耐磨值大于硬巖的耐磨值才能實(shí)現(xiàn)刀具的破巖掘進(jìn)；同時(shí)刀具的磨損量是制約著TBM應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益和掘進(jìn)效率。可見，巖石耐磨性是刀具選擇決定性的參考指標(biāo)。

巖石耐磨值是一個(gè)硬度指標(biāo)。硬度是一種關(guān)于物料性態(tài)的概念，但不是物料的基本性質(zhì)。因此，硬度的量度值取決于所用的試驗(yàn)類型。巖石和礦物硬度的測(cè)量大致有三種類型的試驗(yàn)：壓入試驗(yàn)、動(dòng)力或回彈試驗(yàn)、劃痕試驗(yàn)。目前在TBM施工的地質(zhì)參數(shù)測(cè)定方法中的巖石耐磨性指標(biāo)測(cè)試技術(shù)，就是巖石硬度劃痕試驗(yàn)方法。

國(guó)內(nèi)對(duì)巖石耐磨性的研究比較少, 近年來已有學(xué)者就巖石耐磨性與巖石強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行探討研究。我國(guó)學(xué)者王磊[1]、王華[2]通過對(duì)隧道巖石力學(xué)強(qiáng)度與巖石耐磨性的相關(guān)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)巖石力學(xué)強(qiáng)度與巖石耐磨性呈正相關(guān)的關(guān)系。鑒于引漢濟(jì)渭工程的重要性，巖石耐磨性與三軸強(qiáng)度相關(guān)性的研究具有重要意義。

2 工程概況[3]

引漢濟(jì)渭工程總體布局為兩庫(kù)、兩站、兩電、一洞兩段。兩庫(kù)即黃金峽水庫(kù)、三河口水庫(kù)；兩站、兩電指兩座水庫(kù)壩后聯(lián)合布置的抽水站、水電站；一洞兩段指從漢江左岸到秦嶺北麓長(zhǎng)98.3km的秦嶺隧洞，由黃(金峽)三(河口)段及越嶺段兩段組成。秦嶺隧洞是引漢濟(jì)渭水利工程控制性工程之一。

2.1 主要地層巖性

主要地層巖性包括石炭系變質(zhì)砂巖、千枚巖；泥盆系變質(zhì)砂巖、千枚巖；中元古界綠泥片巖、云母片巖、石英片巖；并伴有燕山期花崗巖、印支期花崗巖、華力西期閃長(zhǎng)巖、加里東晚期花崗巖，以及閃長(zhǎng)巖體的侵入。

2.2 隧洞工程設(shè)計(jì)

秦嶺隧洞越嶺段長(zhǎng)81.779km，共布置9條施工支洞，其中嶺南6條(0、0-1及1～4號(hào)支洞)，嶺北3條(5～7號(hào)支洞)。綜合地形和地質(zhì)條件，3號(hào)支洞以南的約26km洞段、6號(hào)支洞以北的約16km洞段設(shè)計(jì)用鉆爆法施工；3號(hào)支洞與6號(hào)支洞之間穿越秦嶺主脊的約39km主洞采用TBM施工。兩臺(tái)TBM分別由3、6號(hào)支洞進(jìn)入，在洞內(nèi)組裝，南北相向掘進(jìn)。

3 巖石耐磨試驗(yàn)和三軸強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)采集引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞越嶺段16個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 巖石耐磨試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的鋼針直徑為6mm，鋼種為合金45號(hào)鋼，鋼針的洛氏硬度為34，鋼針的強(qiáng)度為107kg/mm2，針尖為60°錐角形。

(1)將磨蝕好的鋼針直徑在高倍顯微鏡下進(jìn)行初標(biāo)，測(cè)量精度為0.0001mm。

(2)在巖石耐磨儀安裝上鋼針，將加工好的試樣固定在耐磨儀上。注意安裝鋼針和試樣時(shí)，避免力量過猛，要輕拿輕放。

(3)在整體相對(duì)穩(wěn)定的情況下，施加水平推力使鋼針在巖石試樣表面水平移動(dòng)，水平移動(dòng)距離為10mm。水平移動(dòng)時(shí)注意鋼針移動(dòng)的速度。

(4)將鋼針取下，采用高倍顯微鏡觀測(cè)鋼針磨損部分直徑，記錄單位為φ×1/10mm，精度為0.0001mm。

(5)每一組巖樣試件6塊，每一個(gè)試樣都應(yīng)該選擇近似相鄰的三個(gè)面來作為劃痕面，取其平均值作為每一面的耐磨值，最后再對(duì)三個(gè)面的耐磨值取平均值，作為該巖樣的耐磨性值。

3.2 巖石三軸強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1 試樣制備

巖樣的加工要求：巖樣的高徑比為2∶1，加工后的試件尺寸為φ50mm×100mm的圓柱體。圓柱體試件在高度范圍內(nèi)的直徑誤差不大于0.3 mm，將兩端面磨平后的不平整度誤差不大于0.05mm。

3.2.2 試驗(yàn)方法

剛性巖石室內(nèi)三軸試驗(yàn)，是在マルィ(日)生產(chǎn)的MARUI電液伺服剛性對(duì)稱式(側(cè)向壓力σ2=σ3)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)及其相應(yīng)的測(cè)量和紀(jì)錄儀器系統(tǒng)上進(jìn)行。試樣處于恒定圍壓狀態(tài)下，施加σ3=σ2=0、5.0、10.0、15.0MPa四個(gè)側(cè)向壓力。軸向壓力采用壓縮型的加載方式，以軸向變形控制軸向應(yīng)力的加載速率，在三向均等壓力下，附加軸向壓力以增大主應(yīng)力差(σ1-σ3)使巖石超過強(qiáng)度達(dá)到破壞為止，測(cè)定試樣被軸向壓縮破壞所經(jīng)歷的最大軸向應(yīng)力或剪切應(yīng)力。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

巖石應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線見圖1，巖石峰值應(yīng)力莫爾圓見圖2，巖石殘余應(yīng)力莫爾圓見圖3，巖石耐磨值與力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)成果見表1。

圖1 巖石應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)^程曲線

圖2 巖石峰值應(yīng)力莫爾圓

圖3 巖石殘余應(yīng)力莫爾圓

4 結(jié)果分析

對(duì)16個(gè)巖石樣本耐磨值與三軸強(qiáng)度值進(jìn)行數(shù)值擬合分析，巖石耐磨值與c、φ值的關(guān)系曲線見圖4～7；采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,對(duì)其進(jìn)行回歸分析得出相關(guān)關(guān)系式(見式(1)～(4))。

巖石耐磨值與粘聚力(峰值)相關(guān)關(guān)系式：

c=3.142exp0.216A,R2=0.92

(1)

巖石耐磨值與內(nèi)摩擦角(峰值)相關(guān)關(guān)系式：

φ=23.56ln(Ab)+17.98R2=0.90

(2)

巖石耐磨值與粘聚力(殘余)相關(guān)關(guān)系式：

(3)

巖石耐磨值與內(nèi)摩擦角(殘余)相關(guān)關(guān)系式：

φ′=27.30ln(Ab)+6.17R2=0.75

(4)

5 結(jié) 論

通過巖石耐磨值與三軸強(qiáng)度的回歸分析可以看出：巖石三軸強(qiáng)度(峰值)越大，耐磨值也越大，巖石耐磨值與粘聚力(峰值)、內(nèi)摩擦角(峰值)分別呈指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.92、0.90，表現(xiàn)出非常好的相關(guān)性；巖石三軸強(qiáng)度(殘余)與耐磨值的相關(guān)系數(shù)分別為0.58、0.75，表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系的趨勢(shì)。

表1 巖石耐磨值與三軸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 耐磨值A(chǔ)b與峰值粘聚力c關(guān)系曲線

圖6 耐磨值A(chǔ)b與殘余粘聚力c′關(guān)系曲線

圖5 耐磨值A(chǔ)b與峰值內(nèi)摩擦角φ關(guān)系曲線

圖7 耐磨值A(chǔ)b與殘余內(nèi)摩擦角φ′關(guān)系曲線

巖石三軸強(qiáng)度是巖石力學(xué)特征的一部分，能夠很好地反映巖石在巖體中的所處應(yīng)力環(huán)境，是巖體本身屬性的一種直接表現(xiàn)。巖石耐磨值的影響因素包括巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物組成成分、礦物的硬度、顆粒之間的連結(jié)力、巖石完整性、風(fēng)化程度及巖石本身所處的應(yīng)力環(huán)境等等。一般來說,巖石整體力學(xué)強(qiáng)度越高,巖石的耐磨值偏大；相反，巖石整體力學(xué)強(qiáng)度越低,巖石的耐磨值偏小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王磊.隧道巖石耐磨性與巖石強(qiáng)度的相關(guān)性研究[J].四川聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),1997，1(6)：26-30.

[2] 王華.TBM施工隧道巖石耐磨性與力學(xué)強(qiáng)度相關(guān)性研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010，5(37)：57-60.

[3] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司.引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2010.

[4] 黃今.TBM 在長(zhǎng)大隧道開挖中的應(yīng)用前景初探[J].山西建筑,2007，01,33(2):276-277.