巖石耐磨儀實驗裝置研制

朱寶龍, 李曉寧

(西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 621010)

儀器設備研制與應用

巖石耐磨儀實驗裝置研制

朱寶龍, 李曉寧

(西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 621010)

自主研制了基于劃痕原理的巖石耐磨儀,可得出巖石試樣的耐磨性指數(shù)CAI,以此來評價巖石對TBM刀具的磨損能力。該裝置采用了較為簡便的機械構造與顯微鏡測試,具有結合現(xiàn)有TBM隧道施工技術實踐的特點,以及易于操作、便于學習、結合的知識點豐富等優(yōu)點。非常適合在“巖石力學”實驗教學環(huán)節(jié)中讓學生動手實踐,是對土木工程、地質(zhì)工程專業(yè)“巖石力學”、“工程地質(zhì)學”課程中關于巖石性質(zhì)的一個很好的補充及有效的拓展,相關實驗已在本科生課程實驗中開展。

巖石； 耐磨性； 實驗裝置

1 巖石耐磨性

巖石耐磨性作為表征巖石物料性態(tài)的基本指標之一,在目前國內(nèi)外學術界展開的研究還不多,隨著巖石學科科研工作的不斷進展,人們生產(chǎn)實踐的需要,尤其是集掘進、排渣裝運、襯砌施工等工序于一體的大型隧道施工設備—隧道掘進機(TBM)在隧道工程中的發(fā)明使用,使得人們重新認識到了對石耐磨性研究開展的必要性和重要性。

1846 年意大利人馬烏斯第一次設計出巖石隧道掘進機,100年后,美國人詹姆斯·羅賓經(jīng)過幾次改進研制出直徑8m的新型掘進機,從此現(xiàn)代意義上的TBM機誕生了。使用TBM 掘進機施工速度快,隧道成形好,對周邊環(huán)境影響小,已經(jīng)成為國外隧道開挖普遍采用的方法之一。TBM(隧洞掘進機)是一種系統(tǒng)化、智能化、工廠化的高效能隧洞開挖施工機械,可一次成洞,同時完成開挖掘進、石渣運輸、通風除塵、導向控制、支護襯砌及超前處理、風水電及材料供應等全過程隧洞施工作業(yè),并實現(xiàn)了自動化監(jiān)控,適應于超長距離地下洞室的隧洞施工。TBM 是當今世界隧道施工最先進設備的代名詞。以往挖隧道因采用鉆爆法而使隧道壁顯得坑坑洼洼、凹凸不平,而且大量的碎石要靠人工運出洞外,而采用 TBM 開掘的隧道壁極為光滑平整,好像打磨過—樣,碎石通過傳送帶傳到洞外。采用TBM不僅大大節(jié)省了人力,而且它的掘進速度大大超過了傳統(tǒng)的鉆爆法,技術人員只要在操作間就可以完成挖掘工作[1-3]。

日本53.85 km的青函海底隧道、50 km的英法海峽海底隧道都是TBM全斷面掘進的成果。目前國外已有700多個隧道工點采用TBM施工。

在我國使用TBM已是多年的夢想。1958年就開始研制TBM,共生產(chǎn)出50多臺,但均未獲得成功。20世紀80年代后期,我國從美國Robbins公司引進直徑為10.8 m的二手貨掘進機,用于天生橋二級水電站的長隧洞開挖,效果不太理想。20世紀90年代以來，國外先進的隧道巖石掘進機(TBM)大規(guī)模登陸中國,秦嶺I線隧道率先引進TBM全斷面掘進機施工,從德國維爾特公司引進2臺直徑8.8 m,單價為3.5億元的TBM全斷面掘進機[4-6]。隨后,隧道局和十八局在TBM施工中屢創(chuàng)紀錄,隧道局曾創(chuàng)下月進尺528 m的全國紀錄。此后TBM在許多水利和交通隧道工程中被承包商使用,施工中都曾碰到了諸如巖溶塌陷、軟巖快速變形卡機等困難。

據(jù)統(tǒng)計,采用TBM施工的隧道約占目前世界上隧道總數(shù)的30%。隨著TBM設計改進和機具性能的提升、人們對隧道地質(zhì)環(huán)境的認識水平的提高,以及對復雜巖土體的利用、改造技術的發(fā)展,TBM技術在國內(nèi)外隧道及其他地下工程的施工中必然將得到越來越廣泛的采用。

刀具是TBM隧道掘進機最為重要的磨損件,刀具損耗是評價TBM工作性能的一個重要參數(shù),同時它也是TBM施工經(jīng)濟分析的一個重要因素。據(jù)國外有關資料統(tǒng)計,刀具消耗占TBM運行成本的14%左右,占TBM運行成本中材料費用的18%左右。近年來的工程實踐證明,當前影響TBM在我國使用效率的主要制約因素之一就是TBM在硬巖中掘進速度慢、刀具磨損大[7]。

盡管巖石的耐磨性明顯地影響了TBM掘進速度的增加，并使TBM刀具材料大幅度消耗,但在這方面的研究還很少,至今在國際國內(nèi)還未建立起統(tǒng)一的、規(guī)范的巖石耐磨性指標和巖石耐磨性分級標準。也缺乏較通用的測定巖石耐磨性的試驗裝置。

雖然在“工程地質(zhì)”課程中有關于礦物摩氏硬度的描述,以及“巖石力學”課程中有關于強度性質(zhì)的知識點,但均未直接介紹巖石耐磨的性質(zhì)。隨著TBM等大型設備對巖石耐磨的性質(zhì)的要求,如何讓土木工程、地質(zhì)工程專業(yè)本科生或研究生理解巖石的耐磨性[8-10],并能用相應指標評價巖石的耐磨性,直接涉及到其在TBM工程實踐活動中的工作效果。為此,依據(jù)劃痕原理設計了較為簡便的巖石的耐磨儀,來幫助學生更直觀地理解巖石耐磨性,并得到巖石耐磨性指數(shù)CAI[11-13]。

2 實驗裝置的設計

2.1 設計原則

(1) 整個耐磨儀的各部件要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。

(2) 要求鋼針垂直于巖樣表平面,這就要求固定鋼針的固定器必須保持垂直于巖樣表平面,其次是鋼針針桿應當順直。

(3) 鋼針上要求加有一定的垂直荷載。

(4) 鋼針水平移動位移固定,以保證每一次測試數(shù)據(jù)結果的可比性。

(5) 鋼針位移保持水平,要求推動鋼針移動的橫柄走動要水平,故橫柄與手柄的連接方式應當為鉸接,以保證手柄對橫柄的推力保持在一定的水平度內(nèi)。

(6) 鋼針必須具有固定的硬度值和對應的強度值。

2.2 設計參數(shù)

鑒于設計原則,耐磨儀的主要參數(shù)指標為:鋼針的水平移動距離固定為1.0 cm,鋼針上所加的荷載為7.0 kg。整個儀器框架固定在臺虎鉗上,以保證它在實驗過程中具有足夠的穩(wěn)定性。所用的鋼針的直徑為6 mm,鋼種為合金45號鋼,鋼針的洛氏硬度為55,針尖為60°錐角形,耐磨儀的構架用角鋼、鋼板做成,硬度和剛度均能達到設計要求。巖石耐磨儀的剖面見圖1,實物見圖2。

圖1 巖石耐磨儀剖面圖

圖2 巖石耐磨儀實物圖

3 巖石耐磨性試驗過程

(1) 試樣要求用未加工過的毛樣,最好具有一定的平整度,以便于試驗時鋼針的前進。試樣的尺寸不限,以試驗儀能固定的大小為宜。

(2) 試驗前應先在顯微鏡下對所用鋼針進行觀察,標定其針尖的直徑,測量精度優(yōu)于0.01 mm。

(3) 安裝巖石試樣,將需測試的試樣面正對鋼針,并進行固定。

(4) 安裝鋼針,在保持整個裝置相對穩(wěn)定的情況下,將安裝好的鋼針放置到試樣上,絕對避免放針過猛而導致針尖被撞磨而造成人為誤差。

(5) 轉(zhuǎn)動“擋板移動軸”的手柄,推動巖石試樣緩慢移動,使立于其上的鋼針在試樣面上移動1 cm。

(6) 在顯微鏡下對磨后的鋼針進行觀察,記錄其磨損后的直徑,測量精度優(yōu)于0.01 mm。

(7) 將鋼針磨前與磨后的直徑相減,求出其差值D,巖石耐磨性指數(shù)CAI=D×10。

(8) 為避免試樣中礦物分布不均造成CAI指數(shù)的誤差,一般每一個試樣需在8個不同面上進行測試,最后取8個面耐磨值的平均值作為該巖樣的耐磨性CAI值。

4 試驗實例

本次選用青島地鐵2號線一期工程芝泉路站—五

四廣場站區(qū)間巖樣進行試驗,巖樣及鋼針安裝后的裝置如圖2所示。安裝鋼針前直徑測試見圖3(a),磨后的直徑測試見圖3(b)。試驗數(shù)據(jù)見表1(篇幅所限,只列出4塊巖樣的試驗結果)。由于本次鋼針針尖的測試采用的是奧林巴斯多功能顯微鏡,其讀數(shù)精度達1×10-5mm。

圖3 鋼針直徑測試

目前國內(nèi)關于巖石耐磨性的測試技術研究還不多見,巖石耐磨試驗儀沒有標準定型的商業(yè)產(chǎn)品可選,巖石耐磨性等級劃分更無統(tǒng)一的標準。參照秦嶺特長隧道TBM施工所需巖石耐磨性等級劃分表,秦嶺隧道耐磨性儀器加在鋼針上的荷載為3.15 kg,鋼針為合金45號鋼,鋼針的洛氏硬度為34,根據(jù)研制的巖石耐磨儀的性能和秦嶺隧道巖石條件,研究建立了秦嶺隧道巖石耐磨性等級劃分標準。

本次試驗中,我們自行設計的耐磨性儀的鋼針上所加荷載為7.0 kg,鋼針為45號鋼,鋼針的洛氏硬度為55。故根據(jù)巖石耐磨儀的性能和隧道巖石條件,提出了青島地鐵2號線一期工程芝泉路站—五四廣場站區(qū)間巖石耐磨性等級劃分表(見表2)。

表1 青島地鐵2號線巖石耐磨性試驗結果

表1(續(xù))

表2 青島地鐵2號線巖石耐磨性等級劃分表

注: CAI值=耐磨值×10

5 實驗裝置的用途

該實驗裝置具有操作簡便、測試方便、便于觀察和學習等優(yōu)點。該實驗可以分成兩大部分:

(1) 巖石耐磨性的認識。通過對取自工程實際中的巖樣中不同礦物面使用鋼針進行劃痕,直觀認識、理解不同礦物的硬度,并可用測試數(shù)據(jù)定量評價,并可進一步加深巖石是礦物集合體的這一概念的理解。

(2) 鋼針直徑顯微鏡下測試。將鋼針放在顯微鏡(學生一般使用光學顯微鏡)下進行直徑測試,可進一步拓展土木工程、地質(zhì)工程專業(yè)學生對物質(zhì)微觀結構的認識,并可基本掌握光學顯微鏡的初步測試方法。

該實驗裝置與《巖石力學》、《工程地質(zhì)學》教材內(nèi)容結合緊密,對于學生學習和實踐巖石的性質(zhì)、礦物的硬度具有很好的指導效果,并結合工程實例有效地拓展了知識面。該裝置已用于本科生的巖石力學實驗及本科生的畢業(yè)設計工作。

6 結束語

自主研制了基于劃痕原理的巖石耐磨儀。該裝置采用了較為簡便的機械構造與顯微鏡測試,具有理論課程結合現(xiàn)有TBM工程實踐的特點,以及易于操作、便于學習、結合的知識點豐富等優(yōu)點。非常適合在“巖石力學”實驗教學環(huán)節(jié)中讓學生動手實踐,是對土木工程、地質(zhì)工程專業(yè)“巖石力學”、“工程地質(zhì)學”課程的一個很好的補充、輔助與有效的拓展。

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Development of experimental setting of rock abrasive apparatus

Zhu Baolong, Li Xiaoning

(School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)

Based on the principle of scratches wear-resisting, the rock abrasive apparatus is developed independently.CERCHAR abrasiveness index (CAI)is presented to assess the wear ability of TBM tool for rock by the equipment.The device uses a relatively simple mechanical structure and microscopic test,which has the characteristics of existing TBM tunnel construction technique practice,and is easy to operate, and easy to study,combined with the advantages of productive knowledge.It is very suitable for students’ practice in the experiment of rock mechanics,which is a good supplement and effective extension about the properties of the rock in the courses of Rock Mechanics and Engineering Geology. The experiment for the rock abrasive apparatus is performed for undergraduate students.

rock; abrasiveness; experimental setting

2014- 10- 08 修改日期：2014- 12- 08

2013年土建類高等教育教學改革項目土木工程專業(yè)卓越計劃專項“面向西部區(qū)域特色的土木工程卓越計劃人才培養(yǎng)模式研究”(2013010)

朱寶龍(1976—)，男，安徽蕪湖，博士，教授，主要從事巖土力學試驗方面的研究.

E-mail：zhubaolong@swust.edu.cn

P589.1；G484

A

1002-4956(2015)6- 0064- 05