隧道開挖中巖石耐磨性與礦物含量相關(guān)性研究

王銀龍， 丁洪玉

(西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院, 四川成都 611756)

TBM(隧道掘進機)技術(shù)誕生于19世紀40年代的意大利，并在隨后的幾十年里在各國應(yīng)用和發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的打眼放炮的鉆爆法，TBM具有掘進速度快、利于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計全球由TBM技術(shù)完成掘進的隧道占全部隧道的30 %左右，而且比例還在不斷增加[1]。

但是在TBM施工中，也存在著刀具損耗快、掘進經(jīng)濟成本高等缺點，鉆頭的磨損度直接關(guān)系著工程的經(jīng)濟效益和整個施工進度，而巖石的耐磨性是刀具損耗率的直接影響因素，即巖石耐磨性越大對刀具刀盤的磨損就越嚴重，由此帶來的經(jīng)濟損失和施工時間就越長[2-4]。故對巖石耐磨性的研究有利于在TBM技術(shù)施工中減少經(jīng)濟成本損失和提高施工效率具有重要的現(xiàn)實意義。

目前對巖石耐磨性的相關(guān)性研究還處于初步階段。朱寶龍團隊[5]自主研制了基于巖石表面劃痕原理的耐磨儀，并得出通過耐磨值CAI來評定巖石耐磨性的方法，該方法具有易于操作、精確度高且很好地避免發(fā)生偶然性等優(yōu)點。王華[6]通過測量巖石抗壓強度 、抗拉強度、三軸強度峰值強度和巖石點荷載強度作為巖石力學強度試驗項目內(nèi)容，對巖石耐磨性與力學強度進行了相關(guān)性研究。但是在已有研究中，對巖石耐磨性與其礦物成分的相關(guān)性研究還沒有具體的深入。當下普遍認為巖石內(nèi)硬性礦物如石英、長石的含量越高其耐磨性越大[6-7]。故本文采用朱寶龍團隊自主研制的基于劃痕原理的巖石耐磨儀，取樣共計30組巖芯作為試驗樣品，XRD礦物分析方法進行成分分析，運用SPSS、Design-expert軟件探究巖石耐磨性與其石英、長石、黏土礦物百分含量的相關(guān)性。

1 試驗部分

1.1 耐磨性實驗機理

耐磨試驗所用設(shè)備包括巖石耐磨試驗儀、顯微鏡及洛氏硬度為55的合金45號鋼針。

巖石具備一定厚度1 cm長的光滑表面為耐磨實驗對象，其主要礦物組分為石英、長石、黏土礦物，其模型圖如下圖1。

圖1 模型選取

當鋼針受7 kg荷載并在巖石表面滑動時，將在巖石表面留下劃痕，且由于鋼針硬度小于石英、略小于長石，大于黏土礦物，所以鋼針在石英表面滑動時磨損大，長石次之，在黏土礦物表面滑動時磨損較小，其作用機理如圖2。

圖2 作用機理

耐磨值(CAI)測取實驗主要基于鋼針磨損度，考慮到礦物莫氏硬度石英>長石>鋼針>黏土礦物，并結(jié)合礦物含量對耐磨性影響結(jié)論總結(jié)得出巖石耐磨性受其礦物組分硬度影響，即礦物硬度大則對鋼針磨損嚴重進而得出巖石耐磨值越大。

其中CAI值越大說明巖石耐磨性越大。且定義CAI值與耐磨性等級關(guān)系如下表1。

表1 巖石耐磨性等級

1.2 巖樣采集

試驗樣品包括青島地鐵6號線和8號線工程內(nèi)12個區(qū)間，選取共計90塊巖芯試驗樣本，包括微風化花崗巖、微風化煌斑巖、中風化花崗巖、微風化花崗斑巖、微風化粗粒花崗巖、微風化凝灰?guī)r、微風化正長斑巖、微風化閃長巖以及塊狀碎裂巖。具體取樣區(qū)間及巖樣如圖3所示。

(a)青島地鐵6號線取樣點及區(qū)間

(b)青島地鐵8號線取樣點及區(qū)間圖3 實驗樣本明細

1.3 試驗步驟

(1)為保證試驗結(jié)果的準確性，本實驗選取的樣品均為巖芯毛樣，樣品大小以便于儀器固定為準且表面無明顯粗糙不平，具有一定的平整度便于鋼針滑動。

(2)在顯微鏡下測量鋼針針尖直徑d，精度為0.01 mm，本文篩選出針尖直徑在0.05～0.09 mm規(guī)格的鋼針作為實驗鋼針。

(3)放置鋼針并將實驗巖樣固定于移動載物臺上，放置7 kg砝碼后緩慢搖動移動軸，使鋼針在樣品表面滑動1 cm。

(4)測量磨后的試驗鋼針針尖直徑D，保留精度為0.01 mm。巖石耐磨性指數(shù)CAI值=(D-d)×10。為避免由于樣品表面粗糙度和礦物分布不均導致試驗結(jié)果誤差，故每個樣品選取8處進行耐磨試驗，舍棄異常值后取平均值。

1.4 礦物成分分析

本文礦物成分分析采用X射線衍射技術(shù)(XRD)，通過對30組典型試驗樣品的X射線衍射，得出樣品中主要礦物包括石英、長石、黏土礦物。并且為保證試驗結(jié)果準確性，本文對每組鉆孔巖芯的相同礦物成分取平均值進行分析。

1.5 試驗結(jié)果

對典型樣品中30組巖石樣品進行耐磨試驗和X射線衍射，去除極端值后對剩余巖石樣品的耐磨值和礦物成分百分含量取平均值可總結(jié)出下表2。

表2 耐磨性和礦物成分

由試驗結(jié)果可知：

(1)地鐵沿線巖層耐磨性整體為中-強耐磨性，對巖石盾構(gòu)機刀片磨損較大。

(2)相同巖性隨著其風化程度增加其耐磨性降低。

(3)同等風化程度的花崗巖和閃長巖其耐磨性強于煌斑巖的原因應(yīng)為長石、石英含量更高導致。

2 礦物成分與耐磨值CAI相關(guān)性分析

本章運用SPSS軟件與Design-expert軟件從單因子、雙因子兩個方面研究巖石礦物含量與耐磨值CAI的相關(guān)性。其中SPSS軟件為一款統(tǒng)計學分析軟件，軟件分析結(jié)果準確且易于操作；Design-expert軟件是一款能同時進行實驗設(shè)計和數(shù)理統(tǒng)計分析的模擬軟件，并具有易于操作、優(yōu)化預(yù)測、可視化高的優(yōu)點，在統(tǒng)計學領(lǐng)域應(yīng)用較廣。

2.1 單因子分析

運用SPSS程序中雙變量相關(guān)性分析部分，計算皮爾森相關(guān)系數(shù)以反映兩個變量線性的相關(guān)程度，皮爾森相關(guān)系數(shù)作為一種統(tǒng)計量其值大于0.01說明正相關(guān)，反之負相關(guān)。關(guān)系如表3所示。

表3 皮爾森系數(shù)結(jié)果

由結(jié)果可知當巖石主要礦物為長石、石英和黏土礦物時，只考慮單一礦物成分對巖石耐磨性影響：石英含量與耐磨值的皮爾森相關(guān)系數(shù)大于0.01呈正相關(guān)；長石、黏土礦物含量小于0.01反之，且石英、黏土礦物對耐磨性影響遠大于長石。

2.2 雙因子響應(yīng)分析

運用Design-expert軟件下的RSM(響應(yīng)面設(shè)計)模塊對雙因子與CAI值得相關(guān)性進行擬合，該模塊具有可擬合高階模型的優(yōu)點。由表3數(shù)據(jù)在Design-expert可得出石英、長石、黏土礦物在巖石中的雙因子與耐磨值CAI的關(guān)系曲面如圖4。

(a)石英、長石與CAI值交互作用

(b)石英、黏土與CAI值交互作用

(c)長石、黏土與CAI值交互作用

由模擬結(jié)果可知：

(1)當僅考慮石英、長石時，石英、長石含量與巖石耐磨性呈正相關(guān)，即兩者任一含量增加都將導致巖石耐磨性增強。同時考慮兩者影響時，石英影響效果更顯著。

(2)當僅考慮石英、黏土礦物時，石英含量與巖石耐磨性呈正相關(guān)，黏土礦物含與巖石耐磨性相關(guān)性不明顯。

(3)當僅考慮長石、黏土礦物時，長石含量與巖石耐磨性呈正相關(guān)，黏土礦物含與巖石耐磨性相關(guān)性不明顯。

綜上可知石英、長石、黏土礦物中，長石、石英與巖石耐磨性呈正相關(guān)，且石英正相關(guān)性大于長石；黏土礦物對其影響不顯著，但是黏土礦物將導致巖石耐磨性保持在極低的范圍內(nèi)。同時Design-expert得出在考慮雙因子交互作用下的CAI值與石英(A)、長石(B)、黏土礦物(C)的函數(shù)關(guān)系為：

CAI=2.33·A-7.93·B-11.60·C+25.18·A·B+46.59·A·C+34.42·B·C-114.12·A·B·C-16.33·A·B·(A-B)-23.37·A·C·(A-C)+59.81·B·C·(B-C)

3 結(jié)論

本文通過巖石耐磨性試驗得出青島地鐵項目相關(guān)巖石的耐磨性，為項目施工前期準備工作及盾構(gòu)機刀具的選擇提供了參考，利于項目的進行。運用SPSS數(shù)據(jù)分析、Design-expert數(shù)值擬合從單因子、雙因子及兩個方面建立耐磨性與主要礦物間的相關(guān)聯(lián)系，通過結(jié)果對比分析可得：

(1)單因子、雙因子綜合分析得到石英含量越高其巖石 耐磨性越高，長石次之，而黏土礦物反之。其中石英、黏土礦物對巖石耐磨性影響程度高于長石。即可得自然條件下高硬度礦物含量越高(如石英、長石等)則巖石其耐磨性越強，低硬度礦物含量越高(如云母、石膏、方解石等)則巖石其耐磨性越弱。

(2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立雙因子交互作用下石英(A)、長石(B)、黏土礦物(C)百分含量與耐磨值間的數(shù)理方程：

CAI=2.33·A-7.93·B-11.60·C+25.18·A·B+46.59·A·C+34.42·B·C-114.12·A·B·C-16.33·A·B·(A-B)-23.37·A·C·(A-C)+59.81·B·C·(B-C)

本文對隧道、地鐵等采用TBM技術(shù)施工項目中盡快確定巖石耐磨性，并及時調(diào)整施工和更換相關(guān)設(shè)備，能夠優(yōu)化施工進度和施工經(jīng)濟成本，具有一定的現(xiàn)實意義。