TBM刀具巖石磨蝕性CAI值調整系數的應用

張恒輝，吳 煒

(1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；2.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司，北京 100038)

0 引言

隧道掘進機刀具磨損以前常以等效石英含量作為單一考量指標。2010年以后，業內陸續出現了用巖石磨蝕性CAI值評價掘進機刀具敏感性的方法。CAI值考慮了等效石英含量、巖石抗壓強度等多種因素，是對巖芯巖樣進行試驗測試的一種微觀評價方法，更接近工程實際。硬巖掘進機(TBM)刀具對掘進地層的CAI值更為敏感[1]。國家鐵路集團2019年發布的《鐵路隧道掘進機法技術規程》[2](簡稱 “技術規程”)對巖石磨蝕性CAI值進行了規范定義。楊延棟等[3]研究了滾刀刀具磨損評價的方法。張厚美[4]提出了滾刀重復破碎與二次磨損經驗模型。孫振川等[5]基于特定工點提出TBM滾刀磨損規律，但目前國內尚未發布評價或推導高磨蝕指數條件下TBM刀具定額消耗量的成果。

本文根據樣本工點不同石英含量TBM掘進刀具消耗測定值，結合等效石英含量與CAI值的相關性分析，推導出不同CAI值的TBM刀具消耗量調整系數并進行符合性驗證。

1 巖石磨蝕性CAI值

1.1 CAI值的含義

法國Cerchar研究所1986年提出了CAI值(Cerchar abrasiveness index)的概念。CAI作為一種用于衡量巖石磨蝕性的參數，需通過Cerchar劃痕試驗測得。試驗原理是對一根帶90°圓錐角的鋼針施加70 N的載荷，使其對被測巖樣產生壓力；然后將鋼針移動10 mm，劃過巖石表面，鋼針錐頂端部位會產生磨損；再測量鋼針的錐頂端部的直徑，以1/10 mm為單位，即得到巖樣的CAI值。根據“技術規程”，掘進法施工隧道在遇到硬質巖和軟質巖時，必須對巖石磨蝕性指數進行測定，并給出巖石磨蝕性等級，見表1。

表1 巖石磨蝕性分級標準

1.2 CAI值的測試方法

CAI測試采用的鋼針直徑為10 mm，錐角90°，材料為40Cr(HRC45～50)；巖樣直徑為50 mm，表面打磨平整。試驗過程中在每個巖樣120°方向分別劃1次。鋼針劃過巖樣后，測定鋼針尖頭磨損后的寬度，并通過相應計算獲得巖石CAI值，試驗過程如圖1所示。

(a)試驗用鋼針

2 CAI值與刀具磨蝕指標的相關性

2.1 CAI值應用的可行性

Wijk[1]通過微型滾刀磨損試驗提出滾刀磨損速率(切削單位體積巖石時滾刀的質量損失量，g/m3)與巖石CAI值呈冪函數關系(冪指數為2)。楊延棟等[3]通過現場試驗提出滾刀刀圈損失率Vs(TBM掘進單位距離的滾刀損失量，mm/m3)與巖石CAI值之間呈冪函數關系，即：

Vs=0.002 9e1.178 3Kv·CAI。

(1)

式中Kv為巖體完整性系數。

可見巖石磨蝕性指數CAI值對滾刀磨損的影響尤為明顯，當KV值相對穩定時，CAI值可作為滾刀磨損地質影響因素的評價指標[6]。隧道圍巖判定標準為圍巖基本質量指標BQ值，而BQ值由巖石完整性和抗壓強度確定，即：

BQ=100+3Rc+250Kv。

(2)

式中Rc為巖石單軸抗壓強度，MPa。

因而刀具CAI調整系數建立在不同圍巖定額消耗量的基礎上是可行的。

2.2 巖石磨蝕性的影響因素

掘進機刀具磨損量主要受巖石抗壓強度、巖石礦物含量、巖體完整性等因素的影響，而巖石磨蝕性CAI值從細觀角度評價巖石的磨蝕性，可以通過試驗評判巖石抗壓強度、巖石礦物含量對巖石磨蝕性CAI值的影響規律。

巖石一般含有多種礦物含量，石英是巖石中主要的磨蝕性礦物，巖石石英含量對巖石的磨蝕性影響較大，但巖石中其他硬質礦物成分也會對滾刀造成磨損，如鉀長石、斜長石、方解石等，僅考慮石英含量比較片面。因此，提出等效石英含量EQC的概念作為衡量巖石礦物成分含量對巖石磨蝕性影響的指標，等效石英含量的計算方法為把巖石中所有礦物的質量百分比乘以該礦物Rosival硬度與石英Rosival硬度的比值，然后將求和的結果作為該巖石的等效石英含量。

巖石單軸抗壓強度UCS是評價巖石強度的重要指標，隨著巖石單軸抗壓強度的增加，滾刀壽命逐漸縮短。巖石的抗壓強度反映了巖石對滾刀滾壓破碎時的抵抗程度。巖石抗壓強度越高，滾刀破碎巖石時刀刃所受載荷越大，巖石中的硬質顆粒對滾刀表面的材料剝落越厲害，滾刀的磨損量越大。

3 巖石磨蝕性CAI值的應用研究

3.1 CAI值應用現狀

目前，國內建設標準中尚未明確巖石磨蝕性指數的試驗方法及劃分標準。根據“技術規程”，巖石磨蝕性測試方法一般采用法國Cerchar研究所的試驗方法[2]。國外廠家如德國海瑞克、美國羅賓斯等已利用CAI值用于刀具消耗預測和投標，美國已基于CAI值建立了相關的巖石磨蝕性測試標準。中鐵隧道局盾構及掘進技術國家重點實驗室已開展巖石磨蝕性的試驗服務，用于刀具壽命評價，取得了良好的社會效益。

在編制鐵建設〔2020〕155號《鐵路隧道TBM及超長工區施工等補充預算定額》[7](簡稱 “155號定額”)時，尚無CAI值與TBM刀具消耗量直接對應的定額測定研究成果，但有大量石英含量與TBM刀具消耗量對應關系的定額測定資料可參考。文獻[3]和文獻[8]表明等效石英含量與CAI值有一定的對應關系，兩者存在可轉換性。部分盾構、TBM掘進工程現場局部段落巖石取樣檢測單軸抗壓強度、等效石英含量與CAI值對應關系如表2所示。

表2 部分盾構、TBM掘進工程現場局部段落對應巖石磨蝕性分級

3.2 定額刀具消耗量磨蝕指數調整系數分析推導

為全面反映掘進地層等效石英含量、單軸抗壓強度、巖層整體性等指標對刀具消耗的影響，經調研鐵路工程高黎貢山隧道、秦嶺隧道和水利工程引漢濟渭隧洞等樣本工點的TBM掘進數據，基于《陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程TBM掘進段刀具消耗分析報告》(簡稱“引漢濟渭報告”)中的現場測定研究成果，并根據巖層完整性系數差異，完善刀具消耗調整數據；再根據建模公式結合石英含量和抗壓強度換算磨蝕指數，從而推導出可用于預算定額的刀具消耗量CAI值調整系數。

3.2.1 引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM刀具消耗研究成果

引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程已掘進段以石英巖、花崗巖為主，圍巖強度高、完整性好、石英含量高，掘進巖層耐磨值范圍廣。圍巖抗壓強度為80～306.04 MPa，平均152.5 MPa；石英含量為43.6%～92.6%，平均69.4%，完整性系數平均達0.8。根據“引漢濟渭報告”測定數據統計分析，在不同圍巖等級及等效石英含量>45%時，刀具消耗指標見表3。當20%<隧洞巖石等效石英含量≤45%時，刀具消耗量按1.40系數調整。當等效石英含量>45%時，刀具消耗量調整系數見表4。

表3 引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南TBM工程(開挖直徑8.02 m)刀具消耗量

表4 引漢濟渭工程刀具消耗量調整系數

3.2.2 現場測定數據的調整完善

考慮到只看石英含量和單軸抗壓強度還不能客觀反映刀具磨耗規律，上述“引漢濟渭報告”數據來源于巖層完整性系數平均達0.8的引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南工區，比通常隧道的完整性系數要高[9]，表3、表4數據有其特殊性，但用于預算定額還需進一步調整完善。根據文獻[3]和文獻[8]給出的巖體完整性系數影響經驗公式(見式(1))，并結合盾構及掘進技術國家重點實驗室試驗數據進行了調整，調整后預算定額擬采用數據見表5。

表5 補充定額采用的刀具消耗量調整系數

3.2.3 磨蝕指數CAI值與等效石英含量、抗壓強度的換算

為使預算定額編制符合“技術規程”有關TBM刀具磨蝕敏感性指標的相關要求，也更全面、科學地反映刀具磨蝕規律，需要將石英含量和單軸抗壓強度指標轉化為磨蝕指數CAI值。本文引用文獻[3]中的經驗公式進行換算。

CAI=0.816 4 ln(Rc·QE)+0.176 1。

(3)

式中QE為等效石英含量，%。

QE、Rc與CAI值換算如表6所示[10-11]，具體操作為：1.0≤CAI<2.0引用“等效石英含量15%～25%”欄的驗算值；2.0≤CAI<3.0引用“等效石英含量25%～35%”欄的驗算值；3.0≤CAI<4.0引用“等效石英含量35%～65%”欄的驗算值；4.0≤CAI<5.0引用“等效石英含量65%～85%”欄的驗算值；CAI≥5.0引用“等效石英含量>85%”欄的驗算值。

表6 磨蝕指數CAI值換算對應表

3.2.4 預算定額應用值

為使TBM定額消耗量符合高磨蝕指數巖層掘進的客觀規律，定額使用說明中引入了上述換算而來的刀具定額消耗量CAI值調整系數(見表7)。

表7 不同磨蝕指數巖層掘進TBM刀具定額消耗量調整系數

3.3 預算定額CAI值調整系數數據驗證

3.3.1 TBM刀具定額基礎消耗量對比驗證

大瑞鐵路高黎貢隧道TBM于2018年2月1日正式始發掘進，前5個月掘進段地質以Ⅲ、Ⅳa和Ⅳb為主，巖質偏軟、偏破碎[12]。抽檢石英含量均值低于20%，磨蝕指數均值在0.5～1，其測定數據可驗證“155號定額”基礎定額消耗量的適用性，統計對比見表8和表9。

表8 高黎貢山隧道正洞(開挖直徑9.03 m)TBM刀具消耗量統計

表9 高黎貢山隧道TBM刀具消耗量對比結果

統計數據顯示，TBM正邊滾刀消耗量實測數據高于“155號定額”5.7%，中心刀高60%，而刮刀則低45%，結合對應消耗量量化成金額時高黎貢山隧道實測比155號定額高2.37%。表明采用“155號定額”中刀具定額消耗量作為調整基數符合掘進刀具消耗規律。

3.3.2 TBM刀具消耗量CAI值調整系數驗證

為了驗證TBM定額刀具消耗量調整系數的合理性，用“技術規程”中13.11.8南疆中天山隧道、引漢濟渭秦嶺隧洞刀具消耗量數據與“155號定額”的刀具消耗量調整值進行同條件對比驗證，見表10。

表10 TBM刀具消耗量CAI值調整系數驗證

由表10可知，當磨蝕指數大于2且小于5時，“技術規程”中現場測定的刀具消耗量明顯大于“155號定額”消耗量調整值，平均大37.7%左右；磨蝕指數小于2時，現場測定的消耗量略低于“155號定額”消耗量調整值，平均低1%左右。整體上看，現場測定消耗量比“155號定額”消耗量調整值高19.7%左右。對比驗證結果表明，“155號定額”調整系數的使用使定額消耗量與現場實測值大幅接近，高磨蝕性部分略低于現場統計值，基本符合定額計價要求。經分析，南疆中天山隧道、引漢濟渭秦嶺隧洞的刀具消耗量偏高與其掘進機超齡、刀具國產化替代等因素有關。

4 結論與討論

上述研究分析表明，通過現有石英含量與TBM刀具消耗量相關性的測定與試驗數據推導得到CAI值與TBM刀具消耗的相關規律是可行的。本文定額數據統計分析過程和換算方法被“155號定額”用于預算定額TBM掘進刀具消耗量調整系數的編制。在建川藏鐵路有色季拉山隧道、伯舒拉嶺隧道等多個TBM標段，前期勘探設計揭示的掘進地質復雜，CAI值最高可達4.0以上。后期應結合巖體完整性指標，通過川藏鐵路TBM施工實踐進一步驗證和完善刀具消耗定額CAI值調整系數。

用一定條件的變化值調整重要材料消耗量是投資估算、施工成本分析的科學手段，準確的消耗量調整系數可以使消耗預測在特定條件下盡量接近實際，避免投資估算和成本測算出現重大誤差。同時，調整系數的使用會導致高CAI值掘進段延米綜合造價指標增加顯著，從而應用經濟指標來影響設計單位對復雜地質隧道掘進方式或工法的選擇，避免不良地質隧道施工盲目采用TBM，造成投資浪費。