引汉济渭秦岭隧洞岩石耐磨性与三轴强度的相关性试验研究

刘 恋，郭建平，王 华

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院， 四川 成都 610072；2.西南交通大学 土木学院， 四川 成都 610031)

1 前 言

我国水利水电工程最早使用TBM施工是在20世纪70年代云南西洱河一级电站引水隧道工程。随后在铁路隧道工程领域应用也越来越频繁。

随着TBM施工技术应用领域的扩展，TBM施工技术越来越引起国内外学者的关注和研究。在TBM施工中，掘进机刀盘刀具参数的选择至关重要，刀具的耐磨值大于硬岩的耐磨值才能实现刀具的破岩掘进；同时刀具的磨损量是制约着TBM应用的经济效益和掘进效率。可见，岩石耐磨性是刀具选择决定性的参考指标。

岩石耐磨值是一个硬度指标。硬度是一种关于物料性态的概念，但不是物料的基本性质。因此，硬度的量度值取决于所用的试验类型。岩石和矿物硬度的测量大致有三种类型的试验：压入试验、动力或回弹试验、划痕试验。目前在TBM施工的地质参数测定方法中的岩石耐磨性指标测试技术，就是岩石硬度划痕试验方法。

国内对岩石耐磨性的研究比较少, 近年来已有学者就岩石耐磨性与岩石强度的相关性进行探讨研究。我国学者王磊[1]、王华[2]通过对隧道岩石力学强度与岩石耐磨性的相关性进行了研究，发现岩石力学强度与岩石耐磨性呈正相关的关系。鉴于引汉济渭工程的重要性，岩石耐磨性与三轴强度相关性的研究具有重要意义。

2 工程概况[3]

引汉济渭工程总体布局为两库、两站、两电、一洞两段。两库即黄金峡水库、三河口水库；两站、两电指两座水库坝后联合布置的抽水站、水电站；一洞两段指从汉江左岸到秦岭北麓长98.3km的秦岭隧洞，由黄(金峡)三(河口)段及越岭段两段组成。秦岭隧洞是引汉济渭水利工程控制性工程之一。

2.1 主要地层岩性

主要地层岩性包括石炭系变质砂岩、千枚岩；泥盆系变质砂岩、千枚岩；中元古界绿泥片岩、云母片岩、石英片岩；并伴有燕山期花岗岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩、加里东晚期花岗岩，以及闪长岩体的侵入。

2.2 隧洞工程设计

秦岭隧洞越岭段长81.779km，共布置9条施工支洞，其中岭南6条(0、0-1及1～4号支洞)，岭北3条(5～7号支洞)。综合地形和地质条件，3号支洞以南的约26km洞段、6号支洞以北的约16km洞段设计用钻爆法施工；3号支洞与6号支洞之间穿越秦岭主脊的约39km主洞采用TBM施工。两台TBM分别由3、6号支洞进入，在洞内组装，南北相向掘进。

3 岩石耐磨试验和三轴强度试验

试验采集引汉济渭秦岭隧洞越岭段16个试样进行试验。

3.1 岩石耐磨试验

3.1.1 试验方法

试验采用的钢针直径为6mm，钢种为合金45号钢，钢针的洛氏硬度为34，钢针的强度为107kg/mm2，针尖为60°锥角形。

(1)将磨蚀好的钢针直径在高倍显微镜下进行初标，测量精度为0.0001mm。

(2)在岩石耐磨仪安装上钢针，将加工好的试样固定在耐磨仪上。注意安装钢针和试样时，避免力量过猛，要轻拿轻放。

(3)在整体相对稳定的情况下，施加水平推力使钢针在岩石试样表面水平移动，水平移动距离为10mm。水平移动时注意钢针移动的速度。

(4)将钢针取下，采用高倍显微镜观测钢针磨损部分直径，记录单位为φ×1/10mm，精度为0.0001mm。

(5)每一组岩样试件6块，每一个试样都应该选择近似相邻的三个面来作为划痕面，取其平均值作为每一面的耐磨值，最后再对三个面的耐磨值取平均值，作为该岩样的耐磨性值。

3.2 岩石三轴强度试验

3.2.1 试样制备

岩样的加工要求：岩样的高径比为2∶1，加工后的试件尺寸为φ50mm×100mm的圆柱体。圆柱体试件在高度范围内的直径误差不大于0.3 mm，将两端面磨平后的不平整度误差不大于0.05mm。

3.2.2 试验方法

刚性岩石室内三轴试验，是在マルィ(日)生产的MARUI电液伺服刚性对称式(侧向压力σ2=σ3)岩石三轴试验机及其相应的测量和纪录仪器系统上进行。试样处于恒定围压状态下，施加σ3=σ2=0、5.0、10.0、15.0MPa四个侧向压力。轴向压力采用压缩型的加载方式，以轴向变形控制轴向应力的加载速率，在三向均等压力下，附加轴向压力以增大主应力差(σ1-σ3)使岩石超过强度达到破坏为止，测定试样被轴向压缩破坏所经历的最大轴向应力或剪切应力。

3.2.3 试验结果

岩石应力—应变全过程曲线见图1，岩石峰值应力莫尔圆见图2，岩石残余应力莫尔圆见图3，岩石耐磨值与力学强度试验成果见表1。

图1 岩石应力—应变全过程曲线

图2 岩石峰值应力莫尔圆

图3 岩石残余应力莫尔圆

4 结果分析

对16个岩石样本耐磨值与三轴强度值进行数值拟合分析，岩石耐磨值与c、φ值的关系曲线见图4～7；采用数理统计的方法,对其进行回归分析得出相关关系式(见式(1)～(4))。

岩石耐磨值与粘聚力(峰值)相关关系式：

c=3.142exp0.216A,R2=0.92

(1)

岩石耐磨值与内摩擦角(峰值)相关关系式：

φ=23.56ln(Ab)+17.98R2=0.90

(2)

岩石耐磨值与粘聚力(残余)相关关系式：

(3)

岩石耐磨值与内摩擦角(残余)相关关系式：

φ′=27.30ln(Ab)+6.17R2=0.75

(4)

5 结 论

通过岩石耐磨值与三轴强度的回归分析可以看出：岩石三轴强度(峰值)越大，耐磨值也越大，岩石耐磨值与粘聚力(峰值)、内摩擦角(峰值)分别呈指数函数、对数函数正相关关系，相关系数为0.92、0.90，表现出非常好的相关性；岩石三轴强度(残余)与耐磨值的相关系数分别为0.58、0.75，表现出正相关关系的趋势。

表1 岩石耐磨值与三轴强度试验结果

图4 耐磨值Ab与峰值粘聚力c关系曲线

图6 耐磨值Ab与残余粘聚力c′关系曲线

图5 耐磨值Ab与峰值内摩擦角φ关系曲线

图7 耐磨值Ab与残余内摩擦角φ′关系曲线

岩石三轴强度是岩石力学特征的一部分，能够很好地反映岩石在岩体中的所处应力环境，是岩体本身属性的一种直接表现。岩石耐磨值的影响因素包括岩石结构构造、矿物组成成分、矿物的硬度、颗粒之间的连结力、岩石完整性、风化程度及岩石本身所处的应力环境等等。一般来说,岩石整体力学强度越高,岩石的耐磨值偏大；相反，岩石整体力学强度越低,岩石的耐磨值偏小。

参考文献：

[1] 王磊.隧道岩石耐磨性与岩石强度的相关性研究[J].四川联合大学学报(工程科学版),1997，1(6)：26-30.

[2] 王华.TBM施工隧道岩石耐磨性与力学强度相关性研究[J].水文地质工程地质,2010，5(37)：57-60.

[3] 铁道第一勘察设计院集团公司.引汉济渭秦岭隧洞工程地质勘察报告[R].2010.

[4] 黄今.TBM 在长大隧道开挖中的应用前景初探[J].山西建筑,2007，01,33(2):276-277.