鐵路隧道巖石可鉆性鑿擊試驗相關研究

馬金彪

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

隨著國內鐵路建設的高速發展，鐵路的建設是長遠發展的偉大工程。鐵路長大隧道居多，為了保證施工質量和進度首選TBM 技術。TBM 技術具有開挖作業連續、快速、優質、高效、安全、振動、噪聲小、自動化程度高等優點。目前，TBM 已成為國內外長大隧道工程的重要施工技術[1-2]。

巖石的可鉆性等級是TBM 鉆進效率的決定因素。它反映了鉆進時巖石破碎的難易程度，它是合理選擇TBM掘進方式、刀盤類型和設計掘進參數的重要依據[3]。渠愛巧[4]在對巖樣細觀結構觀測的基礎上對巖芯分別進行了力學測試，通過測定礦巖的鑿碎比功和刀具磨頓寬度對巖體的可鉆性進行分級。徐小荷和余靜[5]對不同巖性巖石芯樣進行可鉆性鑿擊試驗。古德曼[6]對單軸抗壓強度、彈性模量及泊松比、縱波波速及薄片鑒定等進行試驗。徐小荷[7]分析不同巖性的巖石鑿碎比功大小，并根據鑿碎比功進行可鉆性定量分級、及巖石鑿碎比功與物理力學指標等的相關性。通過對鐵路隧道巖石可鉆性鑿擊試驗等相關分析研究，對提高TBM鉆進效率具有重要的實際意義。

1 室內試驗

1.1 巖石可鉆性鑿擊試驗

1.1.1 樣品來源

試驗采用了鐵路隧道不同巖性的試樣共計10組。

1.1.2 樣品制備

（1）試件可用巖芯或巖塊加工制成。在采取巖樣或制備試件時應避免產生人為裂隙。

（2）試件尺寸：巖石試件宜采用圓柱體作為試件，試件直徑不宜小于60 mm；采用大直徑試樣時，試樣直徑宜小于試樣固定器內徑15 mm 及以上；試件高度應與試樣固定器高度一致。試件宜保持天然含水率狀態。

（3）試件描述應包括：巖石名稱、顏色、完整程度、風化程度、裂隙分布、試驗方向與層理、片理、裂隙之間的關系等。

1.1.3 儀器設備

巖石可鉆性鑿擊試驗儀包括以下部分，如圖1所示。

圖1 巖石可鉆性鑿擊試驗儀示意圖

（1）機械部分：機械部分由電動機通過齒輪箱帶動主動鏈輪、鏈條和從動鏈輪轉動。鏈條上的提升塊通過提升機構（提升滑塊）使重錘（m1）在與釬頭連接的導桿上滑動，當重錘（m1）滑動到導桿一定位置與脫錘機構接觸時，脫錘機構推動提升機構（提升滑塊）使提升機構與鏈條上的提升塊脫離，使重錘（m1）自由下落，錘擊擊打釬頭安裝部分及釬頭（m2），釬頭沖擊鑿巖，達到鑿碎巖石的目的。鑿碎前，試件固定在巖樣固定器中，鑿碎時，試樣固定器固定在承載臺上，承載臺的鎖緊裝置必須鎖緊。

（2）控制器：控制器是以微電腦計數器、計數光電傳感器、傳感元件、顯示元器件、置數裝置和電氣控制按鈕等組成，主要功能是控制機械動作完成鑿碎試驗。

（3）釬頭：釬頭為一字形，直徑φ40 mm，刃角60°、90°、110°，刃長60 mm，錳鋼材料制成，硬度為50 HRC。

（4）測量設備：游標卡尺2 把（測量深度和直徑各1把），游標卡尺分度值0.01 mm。

（5）樣品加工設備：鉆石機、切石機、磨石機、砂輪機等。

1.1.4 試驗步驟

（1）將巖樣固定器放入巖樣托盤上，用刻線對準巖樣固定器表面的“1”號刻度，插入鎖緊搖把，轉動鎖緊搖把至巖樣固定器被夾緊。

（2）安裝新的釬頭，釬頭落于巖樣表面，并緊貼。

（3）檢查并擰緊儀器各部位螺絲。

（4）在儀器上按“調整”鍵，設置鑿擊次數（一般為20次），按“啟動”開始試驗，完成20次鑿擊。

（5）20次鑿擊完成后，將釬頭提起卡緊，用刷子將巖樣表面的灰清理干凈。

（6）插入鎖緊搖把，松動巖樣固定器，轉動巖樣固定器，使巖樣固定器的刻線對準“2”號刻度，轉動鎖緊搖把至巖樣固定器被夾緊。

（7）重復第3～4 步驟，直至巖樣固定器的刻度到達“24”號刻度，沖擊鑿巖過程結束。

（8）用游標卡尺測量鑿眼直徑，用深度游標卡尺測量鑿眼的深度，測量應準確至0.01 mm。

1.1.5 巖石鑿碎比功分級

巖石的鑿碎比功值大致在20～90 kg·m∕cm3范圍內，常見代表性巖石鑿碎比功分級見表1。

表1 巖石鑿碎比功分級

1.2 巖石物理、力學指標等試驗

1.2.1 試樣的制備

（1）按照《工程巖體試驗方法標準》（GB 50266—2013）[8]、《鐵路工程巖石試驗規程》（TB 10115—2023）[9]對試樣尺寸的相關規定：單軸抗壓試驗、彈性模量、縱波波速試驗采用圓柱體作為標準試件，試件直徑宜為48～54 mm，試件高度與直徑之比宜為2.0～2.5；試件直徑應大于巖石最大顆粒尺寸的10倍[10]。

（2）試件精度應符合下列要求：沿試件高度、直徑的誤差不得大于0.3 mm；試件兩端面不平行度誤差不得大于0.05 mm；端面應垂直于試件軸線，偏差不得大于0.25°。

1.2.2 試驗方法

（1）單軸抗壓強度分3 種狀態進行試驗，包括：干抗壓強度、飽和抗壓強度、天然抗壓強度；彈性模量、泊松比、縱波波速試驗采用天然狀態試件；單軸抗壓強度、彈性模量試驗在100 kN、300 kN、2 000 kN壓力機上進行。

（2）巖石薄片鑒定是將粘好的巖樣，首先在磨片機上用100 號、120 號金剛砂與水混合粗磨，厚度磨至0.28～0.40 mm；再用W28 號金剛砂與水混合，在磨片機上磨至0.12～0.18 mm；然后用W20 號、W10 號金剛砂與水混合，在磨片機上逐級磨至0.04～0.05 mm；最后用W7號金剛砂與水混合，在玻璃板上磨至0.03 mm，磨制過程中，巖樣應保持完整，不脫膠。將薄片在偏光顯微鏡下觀察其礦物種類、形態結構、百分含量、次生變化、受力情況及礦物的排列組合等，并結合巖石構造、肉眼鑒定及野外產狀描述等，綜合確定巖石名稱[11]。

1.3 試驗成果

對隧道不同巖性樣品進行可鉆性鑿擊試驗和巖石物理力學指標、薄片檢定等試驗,獲得不同巖性巖石的鑿碎比功和巖石物理力學指標值、礦物含量值及可鉆性分級表（表2）。

表2 巖石鑿碎比功與巖石物理力學指標值、礦物含量值及可鉆性分級表

2 巖石鑿碎比功與其他參數擬合分析

運用數理統計，對巖石鑿碎比功和單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、縱波波速、石英含量、長石含量、云母含量進行擬合。巖石鑿碎比功與其他指標值擬合關系圖，如圖2—8所示。

圖2 巖石鑿碎比功a與巖石單軸抗壓強度σc擬合模型

圖3 巖石鑿碎比功a與巖石彈性模量擬合模型

圖4 巖石鑿碎比功a與泊松比μ擬合模型

圖5 巖石鑿碎比功a與縱波波速擬合模型

圖6 巖石鑿碎比功a與石英含量擬合模型

圖7 巖石鑿碎比功a與長石含量擬合模型

圖8 巖石鑿碎比功a與云母含量擬合模型

2.1 巖石可鉆性分級

（1）可鉆性分級是在規定的標準鉆進條件下做出的巖石堅固程度的定量分級，用以表征巖石抗鉆強度的大小，是巖石物理性質在鉆進時的綜合表現，也是TBM 選擇刀盤直徑、刀盤鉆速、刀盤扭矩、掘進推理、掘進行程時考慮的最重要的參數之一[12]。

（2）隧道的板巖、頁巖可鉆性分級為易；片麻巖、大理巖可鉆性等級為中等，其余段中的花崗巖、二長花崗巖可鉆性等級為中難；變質砂巖可鉆性等級為中難，其余段石英巖可鉆性等級為難，灰巖可鉆性等級為中等、其余段閃長巖可鉆性等級為難。

2.2 鑿碎比功與其他數值相關性

通過巖石鑿碎比功與單軸抗壓強度、彈模、泊松比、縱波波速、石英含量、長石含量等的數值擬合分析：巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、縱波波速越大，石英、長石含量越高，巖石的鑿碎比功越大，可鉆性越難。而隨巖石的泊松比增大、云母含量增多，巖石的鑿碎比功減小，可鉆性越容易。

2.3 巖石可鉆性等級影響因素分析

通過對鐵路多個隧道巖石試件的可鉆性鑿擊試驗以及相關的物理力學等試驗研究表明：巖石的可鉆性等級從易到難均有分布，對于不同類型的巖石，可鉆性等級大小有顯著的差別。巖石可鉆性等級大小與很多因素有關，主要取決于巖石本身的特性,包括巖石的礦物成分、組織結構特征、物理性質和力學性質等。其中直接影響因素是巖石的力學性質，而巖石的物理性質、礦物成分和組織結構特征等主要是通過影響其力學性質而間接影響可鉆性。

3 結論

（1）巖石中硬度高的礦物含量越高,顆粒越細、越均勻,節理、裂隙越不發育,風化程度越低，巖石鑿碎比功越大、巖石力學值越大，可鉆性越難。反之,巖石中硬度低的礦物含量越高,巖石的鑿碎比功越小、巖石力學值越低，可鉆性越容易。

（2）通過國內大量隧道工程TBM施工的實例表明[13],TBM 施工在可鉆性等級為極易、易、中等的圍巖中掘進速率快、效率高,在可鉆性等級為難、極難的圍巖中的掘進速率慢、效率低、刀盤損耗大。

（3）通過對鐵路隧道少量巖石試樣可鉆性鑿擊試驗分析研究，了解鐵路隧道巖石的工程特性，定量劃分了巖石的可鉆性等級。在具體隧道施工時，應對試驗室數據進行大量的統計分析，正確判斷巖石的堅固程度和可鉆性等級，對提高隧道TBM鉆進效率具有重要的實際意義。