寧波某海底盾構隧道圍巖耐磨性研究

劉華吉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430073）

盾構隧道在硬質巖層掘進時，刀具磨損是一類重要的工程問題，其直接影響到盾構隧道施工成本。刀具磨損與工程地質條件有很大關系，尤其與隧道圍巖的耐磨性密切相關[1]。國內外研究表明，圍巖耐磨性與巖石的強度、礦物組成、風化程度、巖石結構等有關。目前比較通用的巖石磨蝕性測試實驗是Cerchar測試方法，并通過其測試結果CAI值來反映巖石對盾構刀具的磨損情況。由于其測試簡單，且實驗結果能比較好地反映巖石對刀具的磨蝕性[2-4]。

本文以寧波某海底隧道為工程背景，展開圍巖耐磨性研究，采集弱風化凝灰巖和礫石進行Cerchar磨蝕性實驗和巖石礦物衍射分析實驗，獲取隧道圍巖耐磨性，探究巖石礦物組成對CAI值的影響規律。這對降低海底盾構隧道的工程成本，指導盾構機選型和刀具設計等有十分重要的意義。

1 巖石室內實驗

1.1 巖石磨蝕性實驗

1.1.1 實驗設備

本次巖石磨蝕性實驗在某大學地質科學與工程實驗中心進行。實驗設備采用自行研制的CAI指標實驗儀（見圖1）、高精度電子顯微鏡和HRC55型號鋼針。

圖1 CAI指標實驗裝置示意圖

CAI指標實驗儀由法向砝碼，鋼針固定器，臺鉗以及手曲柄組成；高精度電子顯微鏡用于測量鋼針微觀磨損量；HRC鋼針主要用于對試樣進行刻劃，提取刻劃變量參數。各實驗設備具體技術參數如表1所示。

表1 各實驗設備技術參數

1.1.2 制樣

本次實驗分別采集的7組巖樣和7組礫石樣品作為研究對象，巖石均為弱風化。巖石采用巴西圓盤荷載加載對巖體進行劈裂形成新鮮實驗面。礫石和巖石均選擇能夠代表巖石礦物的試樣進行編號備樣。

圖2 巴西圓盤實驗產生的實驗表面

Cerchar實驗標準試樣表面水平，由于取樣尺寸限制，制樣后保證實驗面平直，并與夾持面保持垂直，使鋼針與實驗巖石新鮮面垂直，并保證每個實驗面超過鋼針刻畫距離10mm。

1.1.3 實驗方法

使用加工砂輪將鋼針尖磨成一個90°錐形角，磨損過程中必須使用適當的冷卻液，以防止因研磨而改變觸針的硬度。截取實驗前鋼針針尖顯微圖像（見圖3）。

圖3 鋼針尖端鏡下圖示

將試樣放在實驗設備夾具上，安裝鋼針、施加法向重量的砝碼并且保持整個裝置相對穩定的情況下，開始在手柄上施加水平力，使橫柄沿水平方向移動10mm，施加位移過程中保持鋼針運動勻速，并且保證在整個移動過程中鋼針與巖石新鮮面完全接觸。

將實驗后的鋼針放在電子顯微鏡載物臺上，使用測量軟件鋼針針尖直徑；將鋼針旋轉90°，再次量取鋼針針尖直徑，記錄兩次鋼針針尖直徑測量值，并保存測量時鋼針針尖圖像。

考慮巖石的各向異性，對每一個試樣選擇近似相鄰的三個面作為實驗面，每個表面上劃兩次，兩次劃痕方向相互正交，通過對每個磨損后鋼針尖端的磨損平面尺寸測量，計算兩個垂直方向上的直徑d1和d2的平均值，作為實驗采用值d，單位為mm。

圖4 鋼針尖端d值計算示意圖

1.1.4 實驗結果

以0.1mm為基本單位，依據公式（1）計算每一面的鋼針耐磨值（CAI），最后將三個面的耐磨值（CAI）取平均值作為巖樣的耐磨性值（CAI）。

比照各巖石的鋼針耐磨值經驗表，判斷其合理性，本次實驗共完成實驗14組，每組10個有效實驗數據以上，每組樣品的CAI指標采用統計平均值。

1.2 巖石礦物成分分析實驗

使用X射線衍射儀分析實驗測試各巖樣中的礦物組成[5]，通過公式（2）計算各種礦物含量。

式中，Xi：i礦物的百分含量，以百分數表示；Ii：i礦物選定的衍射峰積分強度；Ki：i礦物的參比強度。

2 實驗結論分析

2.1 石英含量與耐磨性關系

一般認為石英是巖石中的主要磨蝕礦物，巖石中石英含量對巖石磨耗影響較大，石英含量越高，巖石的磨蝕性越強。礫石和巖石的石英含量與耐磨性指標CAI值關系如圖5所示。

據圖5可知，凝灰巖石英含量在20%~40%，CAI值范圍在4.0~5.5之間，礫石石英含量在42%~68%，CAI值在5.1~6.7范圍，可知礫石的石英含量和耐磨性指數CAI值均高于凝灰巖。從曲線走勢來看，耐磨性指數變化規律與石英含量有一定關系，但是相關性不是特別強，個別石英含量高的試樣其耐磨性指數CAI值卻偏低，這是因為巖石磨蝕性還受到巖石中其他礦物的影響，尤其是硬度較高的礦物，例如長石、輝石等。

圖5 石英含量與CAI關系分布圖

2.2 巖石礦物加權硬度值對耐磨性的影響

由于地層中的其他礦物成分也具備一定的硬度，比如長石的莫氏硬度為6-6.5，因此在考慮石英含量的基礎上，應對于其余礦物同樣予以考慮，采用平均加權莫氏硬度[6]進行表征，其計算公式為：

式中，HM-加權平均莫氏硬度；mi-某種礦物的百分含量；HMi-礦物對應的莫氏硬度。

巖石礦物加權硬度值為巖石內每種礦物含量乘以其莫氏硬度之和。所取試樣的礦物加權硬度與CAI關系見圖6所示。

圖6 礦物加權硬度與CAI關系分布圖

可以看出，加權平均莫氏硬度與耐磨性指數CAI值變化趨勢基本一致，礫石的礦物加權硬度也普遍高于凝灰巖巖石，其將對盾構機磨損有較大的影響。

所取14組樣品的巖石礦物加權硬度值與巖石耐磨性指數CAI值的關系如圖7所示，可得到礦物加權硬度與巖石耐磨性指數CAI之間的擬合方程為CAI=2.858×HM-11.849，相關系數R=0.9677。

圖7 巖石礦物加權硬度與CAI擬合關系圖

從擬合結果來看，巖石的礦物加權硬度值與CAI值呈現非常好的線性關系，說明巖石礦物加權硬度值可以更準確地反映巖石礦物組成對磨蝕性的影響。

3 結束語

本文研究表明：（1）寧波該海底隧道盾構開挖過程中礫石的CAI指標5.1~6.7；凝灰巖CAI在4.0~5.5；礫石和凝灰巖對盾構機刀具均有較強的磨蝕性。因此盾構設計和刀具布置選擇時應充分考慮礫石和凝灰巖對盾構施工的影響。（2）耐磨性指數變化規律與石英含量有一定關系，但是相關性不是特別強，研究表明，巖石礦物加權平均莫氏硬度與巖石耐磨性指數線性相關性較好，更能準確地反映巖石礦物組成對與耐磨性之間的關系。