TBM施工中巖石可鉆性測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)綜述

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(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010； 2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

隨著國(guó)家西部大開發(fā)、一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)隧道工程建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。目前大量在建的城市地鐵隧道、公路隧道、調(diào)水工程隧洞、交通隧道、能源隧道、城市地下管廊等工程急需采用成套國(guó)產(chǎn)化TBM(Tunnel Boring Machine)施工技術(shù)。最近十余年來，通過引進(jìn)消化與吸收，我國(guó)在TBM設(shè)計(jì)及施工方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采用TBM施工長(zhǎng)大隧道也愈發(fā)普遍。因相關(guān)施工數(shù)據(jù)的匱乏，與TBM的刀盤設(shè)計(jì)、刀具磨損及掘進(jìn)速率的預(yù)測(cè)方面的研究成果較少，相關(guān)的巖石可鉆性評(píng)價(jià)技術(shù)的引進(jìn)消化與吸收顯得尤為迫切。

巖石的可鉆性可用以評(píng)價(jià)TBM施工難易程度并預(yù)測(cè)相應(yīng)的施工效率，并為刀盤的硬度、間距、轉(zhuǎn)速、刀具的消耗估算等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。因此巖石的可鉆性研究是TBM施工的一個(gè)重要方面，也是巖石力學(xué)研究的一個(gè)全新領(lǐng)域。谷志孟等[1]提出TBM施工過程中巖石可鉆性受巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及賦存狀況的影響，可由巖石的磨礪性、堅(jiān)固性和完整性來確定。王石春等[2]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者意見的基礎(chǔ)上提出了TBM的掘進(jìn)效率與圍巖的工程地質(zhì)情況有關(guān)，主要由巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性、完整性及含水狀態(tài)等確定。王旭等[3]總結(jié)了巖石可鉆性試驗(yàn)方法，認(rèn)為刀具磨損的預(yù)測(cè)與巖石的磨耗性有關(guān)，掘進(jìn)效率的預(yù)測(cè)與巖石的硬度、脆性、強(qiáng)度和巖體結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖石可鉆性研究方面的研究成果，本文以常用的掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型為出發(fā)點(diǎn)，從巖石硬度、脆性和磨耗性3個(gè)方面對(duì)巖石可鉆性指標(biāo)測(cè)試方法展開介紹。

1 常用掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型

自20世紀(jì)70年代以來，在TBM破巖問題上國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于大量的施工數(shù)據(jù)，逐步提出了一系列施工掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型，主要包括單因素預(yù)測(cè)模型、綜合預(yù)測(cè)模型(CSM模型和NTNU模型)、巖體分類預(yù)測(cè)模型(QTBM模型)、概率模型、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。單因素預(yù)測(cè)模型中包括的主要巖石參數(shù)有巖石物理性參數(shù)、巖石硬度、抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)；CSM模型主要是基于LCM線性切割試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及巖石單軸抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度參數(shù)；NTNU模型是一套完整的預(yù)測(cè)模型，包括掘進(jìn)速度、掘進(jìn)進(jìn)度預(yù)測(cè)、刀具的磨損預(yù)測(cè)及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等，在它的掘進(jìn)進(jìn)度預(yù)測(cè)國(guó)產(chǎn)化中，考慮到了巖石的可鉆性、巖石孔隙率及巖體節(jié)理的密度及方向等；QTBM模型源自于Q系統(tǒng)，并加入了一些與隧道掘進(jìn)機(jī)及與掘進(jìn)速度相關(guān)的參數(shù)；概率模型是基于一個(gè)龐大數(shù)據(jù)庫的類比模擬模型；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種黑箱模型，克服了輸入與輸出之間的不確定性關(guān)系。這些模型中，最為通用的為CSM模型、NTNU模型及QTBM模型[4]，表1列出了這3種模型的表達(dá)式及來源。

為研究TBM的刀具磨損及掘進(jìn)速率，在詳細(xì)獲取現(xiàn)場(chǎng)巖體地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，通常認(rèn)為上述三大模型中常見的巖石可鉆性測(cè)試內(nèi)容包括：Cerchar試驗(yàn)、巖石硬度試驗(yàn)(摩氏硬度或維氏硬度)、NTNU模型三大試驗(yàn)(SJ微鉆實(shí)驗(yàn)、S20脆性試驗(yàn)、AVS磨耗性試驗(yàn))、LCM線性切割試驗(yàn)(CSM模型)、沖壓試驗(yàn)(Punch-Penetration Test)、巖石的物理性質(zhì)試驗(yàn)、巖石的單(三)軸強(qiáng)度、巖石變形試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)和巖性衍射分析等[10]。

上述測(cè)試項(xiàng)目中，巖石的物理性質(zhì)試驗(yàn)、單(三)軸強(qiáng)度、變形試驗(yàn)、點(diǎn)荷載試驗(yàn)以及巖性衍射分析等在國(guó)內(nèi)開展較多，本文不再贅述，以下針對(duì)其他國(guó)際公認(rèn)的測(cè)試方法進(jìn)行綜述。

2 TBM巖石可鉆性測(cè)試內(nèi)容與方法

一般認(rèn)為，評(píng)估TBM施工巖石可鉆性的主要參數(shù)是巖石的磨耗性、硬度及脆性。巖石磨耗性決定了TBM滾刀的耐久性及TBM的掘進(jìn)速度，巖石的硬度主要影響TBM旋轉(zhuǎn)破巖時(shí)碎巖難易程度，脆性影響TBM滾刀作用于巖石所引起的變形及裂紋擴(kuò)展演化過程。巖石的可鉆性隨巖石硬度和磨耗性的增大而降低，隨脆性的增大而升高。

2.1 巖石硬度試驗(yàn)

巖石硬度是反映工程巖石軟硬級(jí)別、易鉆程度的一個(gè)主要指標(biāo)，它決定了滾刀壓碎巖粉的量，巖石表面堅(jiān)硬礦物的比例越高，耐磨性越強(qiáng)，刀具壽命越短[11]；而另一方面，巖石的硬度越小，開挖后巖體穩(wěn)定性越差，初期支護(hù)的成本越高[12]，可見巖石的硬度是影響滾刀壽命及TBM掘進(jìn)效率的重要因素。目前的常用硬度試驗(yàn)有摩氏劃痕試驗(yàn)、維氏壓入試驗(yàn)以及SJ微鉆試驗(yàn)等。

2.1.1摩氏劃痕試驗(yàn)

摩氏劃痕試驗(yàn)是一種常見的的以某一標(biāo)準(zhǔn)硬度物體對(duì)待檢測(cè)的巖石表面進(jìn)行劃痕進(jìn)而評(píng)價(jià)巖石硬度的方法。該方法1822年由德國(guó)礦物學(xué)家腓特烈·摩斯(Frederich Mohs)首次提出，是目前在巖石礦物學(xué)或?qū)毷瘜W(xué)中通用的方法，共分10級(jí)[13]。對(duì)應(yīng)的分級(jí)指標(biāo)如表2所示。

研究表明：摩氏硬度值從1～9是自然線性的，每種高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)能夠劃痕低一級(jí)的巖石物質(zhì)。但Nilsen[11]認(rèn)為，目前摩氏硬度值較難直接應(yīng)用于TBM性能預(yù)測(cè)模型的輸入，只局限于刀具磨損的初步估計(jì)。

2.1.2維氏壓入試驗(yàn)(Vickers Test)

維氏壓入試驗(yàn)是用一個(gè)相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐體金鋼石作為壓頭，以一定的試驗(yàn)荷載F壓入巖石試樣的表面，在保持一定時(shí)間后卸除荷載，然后測(cè)量壓痕的表面積。維氏硬度值HV為試驗(yàn)荷載F與壓痕表面積S之比，即HV=F/S。其試驗(yàn)原理如圖1所示。

研究表明：對(duì)數(shù)摩氏硬度和對(duì)數(shù)維氏硬度(VHN)之間幾乎成線性關(guān)系，如圖2所示。和摩氏硬度類似，使用VHN可以初步估算巖石磨耗性和預(yù)測(cè)刀具磨損量。

表1 3種常用TBM性能預(yù)測(cè)模型一覽表Tab.1 A list of three commonly used TBM performance prediction models

表2 摩氏硬度及對(duì)應(yīng)礦物Tab.2 Mohs hardness and corresponding minerals table

圖1 維氏試驗(yàn)原理Fig.1 The schematic diagram of Vickers test

圖2 對(duì)數(shù)摩氏硬度與對(duì)數(shù)維氏硬度VHN關(guān)系Fig.2 The relationship between log-mohs hardness and log- Vicker hardness

2.1.3SJ微鉆試驗(yàn)

SJ微鉆試驗(yàn)是NTNU模型的三大試驗(yàn)之一，其試驗(yàn)值(SJ值)為Sievers于1950年提出的一種定量描述巖石表面硬度的指標(biāo)。測(cè)試方法為測(cè)量直徑φ8.5 mm的微型鉆頭在巖樣中回轉(zhuǎn)200轉(zhuǎn)后形成小孔的深度，共測(cè)4～8個(gè)微孔，取這些深度的平均值即為SJ值，測(cè)試裝置如圖3所示。

圖3 SJ微鉆試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)圖Fig.3 The schematic diagram of SJ microdrill tester

該測(cè)試方法是目前國(guó)際公認(rèn)的一種用來測(cè)試巖石表面硬度的可靠方法[14]。所測(cè)巖樣表面由切割形成，表面與巖石的線理、面理垂直，因此鉆頭平行巖石線理或面理鉆進(jìn)。SJ微鉆試驗(yàn)作為NTNU試驗(yàn)已經(jīng)使用多年，隨著TBM的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過多次改良，SJ微鉆試驗(yàn)與NTNU脆性試驗(yàn)一起用于確定可鉆性指數(shù)(DRI)，與滾刀磨損值(AVS)一起用于確定滾刀的壽命指數(shù)(CLI)。但該儀器目前由NTNU擁有，此外韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)已經(jīng)仿制了一套，除此之外沒有廠家生產(chǎn)。

除上述介紹的方法之外，NCB壓痕硬度試驗(yàn)所得NCB壓痕硬度值也應(yīng)用于一些早期簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型[15]內(nèi)。1978年國(guó)際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)(ISRM)建議的方法推薦用L型施密斯特錘作為測(cè)定巖石的施氏硬度也在早期作為簡(jiǎn)單的掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型參數(shù)[15-16]，由于影響TBM的掘進(jìn)效率要素較多，早期的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)模型在目前已經(jīng)很少使用。

國(guó)內(nèi)外的巖石硬度評(píng)價(jià)指標(biāo)還有很多種，但能單獨(dú)直接應(yīng)用于TBM性能預(yù)測(cè)模型輸入硬度指標(biāo)的卻很少。如今，巖石的石英含量仍然是衡量巖石硬度的重要參數(shù)，而TBM掘進(jìn)過程中刀具磨損往往是由于巖石內(nèi)所含礦物硬度超過鋼材硬度所致，尤其是石英，所以巖石的硬度與巖石的磨耗性有著密切的聯(lián)系。

2.2 巖石脆性試驗(yàn)

隨著TBM掘進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，巖石脆性對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度重視。劉泉聲等[17]列出了35種巖石脆性的測(cè)試方法，并研究了巖石的脆性與TBM破巖效率的關(guān)系；Yagiz S[18-19]提出新的TBM凈掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)模型，并在模型中引入表征巖石脆性的指標(biāo)參數(shù)：巖石峰值斜率指數(shù)(PSI)與可鉆性指數(shù)(BI)，進(jìn)而提出了改進(jìn)的CSM模型；GONG Q.M[20]基于國(guó)內(nèi)某個(gè)長(zhǎng)22.4km隧道的施工數(shù)據(jù)，引入可鉆性指數(shù)BI，提出了新的巖石可鉆性預(yù)測(cè)模型。以下對(duì)與TBM施工相關(guān)的巖石脆性測(cè)試方法做簡(jiǎn)要介紹。

2.2.1NTNU脆性試驗(yàn)

NTNU脆性試驗(yàn)試驗(yàn)裝置如圖4所示。其測(cè)試方法為：先將巖樣碾碎，用篩子篩選500 g粒徑為11.2～16.0 mm的巖石碎屑放入缽內(nèi)；讓14 kg的重物從250 mm高度自由下落，反復(fù)錘擊缽內(nèi)的巖石碎屑20次；然后用篩子篩選出粒徑小于11.2 mm的碎屑，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)3～5次，碎屑百分含量的平均值即為NTNU脆性試驗(yàn)值S20。S20值能較好地表征巖石抵抗沖擊破碎的能力。

2.2.2沖壓試驗(yàn)

沖壓試驗(yàn)是20世紀(jì)60年代后期開發(fā)的一種測(cè)量滾刀法向力的方法，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)把鎢合金錐形貫入器壓入巖石試樣，記錄全過程的荷載及貫入深度。

圖4 NTNU脆性試驗(yàn)裝置Fig.4 The NTNU brittleness test device

圖5 沖壓試驗(yàn)裝置Fig.5 The stamping test device

Dollinger G.L[21]認(rèn)為沖壓試驗(yàn)具有成為一個(gè)獨(dú)立估算掘進(jìn)速度試驗(yàn)的潛力，基于此，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)沖壓試驗(yàn)進(jìn)行了改良和創(chuàng)新。劉泉聲等[22]基于國(guó)產(chǎn)的三軸伺服試驗(yàn)機(jī)，分別采用砂巖、花崗巖、泥巖等典型樣品，開展巖石的沖壓貫入測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過程結(jié)合聲發(fā)射觀測(cè)等手段，模擬無側(cè)壓條件下的盤形滾刀貫入試驗(yàn)，分析不同典型巖石試樣的破壞過程、破壞類型和破壞模式。劉京鑠等學(xué)者[23]基于真三軸試驗(yàn)平臺(tái)開展了滾刀順次侵入試驗(yàn)，研究不同圍壓條件下的TBM滾刀破巖特征及效率。 Jamal R[24]認(rèn)為巖石的脆性不是單一的性質(zhì)而是巖石多種性質(zhì)的組合，他收集了48個(gè)隧道工程的沖壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了包括沉積巖(17例)、變質(zhì)巖(16例)和火成巖(15例)巖石的數(shù)據(jù)庫。基于這些沖壓試驗(yàn)，建立了新的脆性指數(shù)(BIm)，用于量化不同類型巖石的脆性。

(4)

式中，F(xiàn)max為施加的最大荷載，kN；P為貫入深度，mm。

除上述2種測(cè)試巖石脆性的試驗(yàn)外，表3簡(jiǎn)要列出其它TBM巖石脆性測(cè)試及評(píng)價(jià)方法。

2.3 巖石磨耗性試驗(yàn)

巖石的磨耗性決定了TBM滾刀的耐久性及換刀頻率，進(jìn)而可以評(píng)估施工的工期與成本。此外，可靠的刀具壽命評(píng)估有助于風(fēng)險(xiǎn)的控制、避免延誤和預(yù)算超支，因此對(duì)巖石磨耗性進(jìn)行良好的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試非常必要。

2.3.1Cerchar磨耗性試驗(yàn)

Cerchar磨耗性試驗(yàn)是在1973年提出的一種評(píng)估硬巖可鉆性指標(biāo)的測(cè)試方法。目前至少有3種正在使用的Cerchar磨耗性試驗(yàn)設(shè)備：第一種是由首先提出該試驗(yàn)方法的法國(guó)Charbonnages實(shí)驗(yàn)室研制的；第二種是由West公司研制，旨在商業(yè)和實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的設(shè)備；第三種是由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(CSM)完成設(shè)計(jì)，由科羅拉多機(jī)械制造商制造[28]。由于篇幅有限，以下僅介紹第一種Cerchar磨耗性試驗(yàn)。

Cerchar磨耗性試驗(yàn)先把試樣固定在試樣夾中，然后把試驗(yàn)鋼針放置在試樣上，試驗(yàn)鋼針為尖錐角度為90°的合金鋼；對(duì)鋼針施加7 kg的荷載，在1 s內(nèi)移動(dòng)手柄使鋼針在試樣上移動(dòng)10 mm；然后在顯微鏡下測(cè)量鋼針端部磨損后的直徑D(每個(gè)巖樣進(jìn)行3～6次試驗(yàn)，取平均值)；最后Cerchar磨耗性指數(shù)(CAI)由CAI=D×10計(jì)算得出。

Cerchar磨耗性試驗(yàn)與其他磨耗性試驗(yàn)相比操作簡(jiǎn)便、易于推廣，目前CAI值已經(jīng)是公認(rèn)的硬巖分類“標(biāo)準(zhǔn)”參數(shù)之一[29]。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議方法《TheISRMSuggestedMethodsforRockCharacterization,TestingandMonitoring:2007-2014》及美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)《ASTMD7625-2010：StandardTestMethodforLaboratoryDeterminationofAbrasivenessofRockUsingtheCERCHARMethod》均已將該試驗(yàn)納入。但該試驗(yàn)不適用由大顆粒組成的及松散的材料，對(duì)于低強(qiáng)度巖樣讀數(shù)敏感性較低。

表3 其他巖石脆性測(cè)試方法Tab.3 Other rock brittleness test methods

2.3.2LCPC磨耗性試驗(yàn)

LCPC磨耗性試驗(yàn)機(jī)如圖6所示。試驗(yàn)先將巖石試樣破碎成粒徑為4.0～6.3 mm的巖石碎屑，取500 g試樣放入LCPC試樣器；用金屬測(cè)試板(25 mm×20 mm×5 mm)在試樣器中以4 500 r/min速度旋轉(zhuǎn)5 min；測(cè)量金屬測(cè)試板磨損的質(zhì)量及粒徑小于1.6 mm的巖石碎屑質(zhì)量。

試驗(yàn)測(cè)得的LCPC磨耗性指數(shù)(ABR)為金屬測(cè)試板的損失質(zhì)量與測(cè)試巖石試樣質(zhì)量之比，如(5)式所示：

(5)

式中，ABR為L(zhǎng)CPC磨耗性系數(shù)；P0為金屬測(cè)試板測(cè)試前的質(zhì)量；P為金屬測(cè)試板測(cè)試后的質(zhì)量；G0為試樣的質(zhì)量。

LCPC磨耗性試驗(yàn)與Cerchar磨耗性試驗(yàn)相比可以用于松散巖石的磨耗性測(cè)試，但該試驗(yàn)單個(gè)試樣只能進(jìn)行一次試驗(yàn)且利用率不高。

圖6 LCPC磨耗性試驗(yàn)機(jī)示意Fig.6 The schematic diagram of LCPC abrasion testing machine

2.3.3NTNU磨耗性試驗(yàn)

NTNU磨耗性試驗(yàn)試驗(yàn)原理如圖7所示。試驗(yàn)將2 kg代表性巖石試樣制成巖粉，粒徑分布小于1 mm的為99%，小于0.5 mm的為(70±5)%；將巖粉充分混合后倒入振動(dòng)送料器漏斗，調(diào)節(jié)振動(dòng)送料器直至巖粉薄薄地均勻分布在鋼盤試驗(yàn)槽內(nèi)；把鎢合金鉆頭或滾刀試件放入試件夾，試驗(yàn)時(shí)間為5 min或1 min；進(jìn)行2～4次平行試驗(yàn)以計(jì)算試件質(zhì)量損失的平均值。試驗(yàn)結(jié)果包括AV(Abrasion Value)值和AVS(Abrasion Value Steel)值。AV值是鎢合金鉆頭在鋼盤轉(zhuǎn)動(dòng)5 min或100轉(zhuǎn)后的以mg計(jì)算的損失質(zhì)量平均值；AVS值是滾刀試件在鋼盤轉(zhuǎn)動(dòng)1 min或20轉(zhuǎn)后的以mg計(jì)算的損失質(zhì)量平均值。

NTNU磨耗性試驗(yàn)已經(jīng)使用多年，AV和AVS值也廣泛應(yīng)用于TBM掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型，且與Cerchar磨耗性試驗(yàn)相關(guān)性良好。

圖7 NTNU磨耗性試驗(yàn)原理示意圖Fig.7 The schematic diagram of NTNU abrasion test principle

2.3.4NAT磨耗性試驗(yàn)[27]

NAT(New Abrasion Test)試驗(yàn)是現(xiàn)代(Hyundai)工程建設(shè)公司開發(fā)的一種新型巖石磨耗性試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理及裝置如圖8，9所示。試驗(yàn)先處理巖石試樣的兩端使其形成粗糙表面；把試樣放在試驗(yàn)臺(tái)上并用夾具固定；施加靜荷載(25 kg)，轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄50轉(zhuǎn)使圓盤的總行程達(dá)到7.5 m；最后以mg計(jì)算金屬圓盤損失的質(zhì)量即為圓盤磨損指數(shù)(DWI)。

圖8 NAT試驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖[30]Fig.9 The schematic diagram of NAT test principle[30]

Ebrahim Farrokh[30]基于6組巖石試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)DWI與AVS/CLI、UCS/BTS有較強(qiáng)的相關(guān)性。這意味著NAT試驗(yàn)提供的DWI指數(shù)與其他國(guó)際公認(rèn)的巖石磨耗性測(cè)試指數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性，且測(cè)試方法也更為簡(jiǎn)便。

圖9 NAT試驗(yàn)裝置圖及試驗(yàn)后巖樣[30]Fig.9 The NAT test device and rock sample after test[30]

2.3.5RIAT壓痕磨損試驗(yàn)[31]

RIAT(The Rolling Indentation Abrasion Test)試驗(yàn)原理如圖10所示。試驗(yàn)配有2個(gè)可更換的微型滾刀，滾刀間距恒定為60 mm，通過合適的驅(qū)動(dòng)單元為滾刀提供1 250 N垂直荷載，滾刀旋轉(zhuǎn)速度為40 r/min，測(cè)試時(shí)間為30 min。

RIAT耐磨指數(shù)(RIATa)定義為以mg計(jì)量的微型滾刀損失的質(zhì)量。此外還定義了RIAT壓痕指數(shù)(RIATi)為以1/100 mm計(jì)量的10次測(cè)量中貫入深度的平均值。

RIAT試驗(yàn)與NAT試驗(yàn)類似，測(cè)試方法都較為簡(jiǎn)便，且RIAT試驗(yàn)?zāi)芴峁└嗟膸r石磨耗性參數(shù)。

圖10 RIAT試驗(yàn)原理圖及試驗(yàn)后的巖樣Fig.10 The schematic diagram of RIAT test and rock sample after test

2.4 其他試驗(yàn)

線性切割試驗(yàn)是20世紀(jì)70年代由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院提出的，試驗(yàn)裝置如圖11所示。在測(cè)試前給定貫入深度和滾刀間距，使巖石試樣勻速移動(dòng)而讓滾刀在液壓加載過程中滾動(dòng)。記錄在破巖過程中滾刀峰值力、三向力及切割的巖粉粒徑及質(zhì)量。根據(jù)記錄的結(jié)果評(píng)估TBM掘進(jìn)時(shí)所需的壓力、刀盤的轉(zhuǎn)速及滾刀間距。

線性切割試驗(yàn)提供了一個(gè)能真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件下直接量測(cè)巖石可鉆性的方法，而且還有助于解釋很多巖石不確定的性質(zhì)，這些是通過物理實(shí)驗(yàn)無法量測(cè)的[32]。由于該試驗(yàn)所用的刀具是由Robbins公司生產(chǎn)的實(shí)際尺寸的單刃滾刀，故該測(cè)試方法與滾刀實(shí)際工作時(shí)的破巖機(jī)理基本一致，因此該試驗(yàn)方法目前得到了廣泛的使用。

目前北京工業(yè)大學(xué)已經(jīng)自主研制了大型多功能機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上取得了大量成果，這是我國(guó)TBM巖石可鉆性測(cè)試的一大突破。

圖11 線性切割試驗(yàn)原理Fig.12 The schematic diagram of linear cutting test

3 討 論

(1) 文中所述后兩個(gè)巖石磨耗性測(cè)試方法是近3 a才提出的，且這兩種測(cè)試方法都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和適用條件，可見巖石磨耗性測(cè)試方法還有繼續(xù)發(fā)展的空間。

(2) 巖石可鉆性測(cè)試的原理都大同小異，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合工程背景對(duì)國(guó)外方法進(jìn)行了改良和創(chuàng)新，但大多沒有將測(cè)試結(jié)果與國(guó)際公認(rèn)的巖石可鉆性試驗(yàn)結(jié)果建立相關(guān)性，這值得進(jìn)一步探究。

(3) TBM掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型的參數(shù)是基于巖石可鉆性試驗(yàn)的，我國(guó)有豐富的TBM施工經(jīng)驗(yàn)，這意味著建立大型數(shù)據(jù)庫從而提出適應(yīng)不同地質(zhì)條件的TBM掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型是可行的。

4 結(jié) 論

(1) 本文基于常用掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型，從巖石硬度、脆性和磨耗性3個(gè)方面對(duì)目前國(guó)外常用的及近期開發(fā)的巖石可鉆性測(cè)試及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了總結(jié)和較為詳細(xì)的介紹。

(2) 國(guó)內(nèi)應(yīng)基于一些綜合性較強(qiáng)的巖石可鉆性試驗(yàn)的機(jī)理，如沖壓試驗(yàn)、線性切割試驗(yàn)等，針對(duì)一些沒有進(jìn)一步量化或測(cè)試的巖石參數(shù)去開發(fā)新的輔助試驗(yàn)方法。

(3) 目前國(guó)際上所用的掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型均是建立在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，并經(jīng)過了多次修正，但這些模型不一定適合我國(guó)TBM施工的可鉆性評(píng)價(jià)。因此，結(jié)合施工實(shí)踐，盡快建立我國(guó)的TBM可鉆性實(shí)驗(yàn)室非常迫切，通過該實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，可盡快積累施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)符合中國(guó)特色的TBM掘進(jìn)效率預(yù)測(cè)模型及相應(yīng)的測(cè)試方法，在國(guó)際研究領(lǐng)域占領(lǐng)一席之地。