石英含量分布對bm施工圍巖分類和掘進效率的影響

石英含量分布對bm施工圍巖分類和掘進效率的影響

1地質(zhì)因素對tbm施工影響的數(shù)值分析線路的設(shè)計是為長江上游的主要支流流量調(diào)節(jié)工程的特寫鏡頭。該工程位于海拔3000m以上的青藏高原的東北緣，橫跨巴顏喀拉山的東段。引水樞紐主要位于大渡河支流阿柯河、瑪柯河、杜柯河以及雅礱江干流及支流泥曲、達曲等河流上。區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，屬中等-深切割高山區(qū)，褶皺構(gòu)造異常發(fā)育，地層褶皺強烈，北西向斷裂構(gòu)造較為發(fā)育且部分為活動斷裂。地層多為陡傾巖層，巖性以砂巖、板巖為主。南水北調(diào)西線工程的核心在于超長隧洞，關(guān)鍵在于TBM施工。影響TBM施工成敗與效率的地質(zhì)因素主要有巖石強度、巖石硬度及耐磨性、巖體結(jié)構(gòu)等。如何合理評價地質(zhì)因素對TBM施工的影響，科學(xué)地進行TBM施工圍巖分類是一項基礎(chǔ)性工作。有關(guān)TBM隧洞施工圍巖分類和施工掘進預(yù)測問題，許多學(xué)者開展了富有成效的研究工作，取得了一些有價值的研究成果。普遍認(rèn)為，巖石硬度與耐磨性是影響TBM施工效率和刀具壽命的主要因素之一。然而，巖石硬度與耐磨性與巖石中的石英含量是密切相關(guān)的。因此，結(jié)合TBM施工破巖機理，從微觀層面上研究引水線路巖石碎屑粒度與石英含量分布規(guī)律是十分必要的。為此，在南水北調(diào)西線工程瑪柯河、杜柯河、泥曲等3條河流段共采集124塊代表性樣品，通過巖石薄片鑒定進行了巖石組成的對比研究，基于巖石碎屑粒度統(tǒng)計分析，得到了石英含量分布規(guī)律。根據(jù)統(tǒng)計分析成果，討論了石英含量分布規(guī)律對TBM施工圍巖分類與掘進效率的影響。2巖石礦物成分分析研究所用的124塊代表性巖石樣品采自瑪柯河、杜柯河、泥曲等3條河流壩址上(表1)。利用成都理工大學(xué)研制開發(fā)的孔隙鑄體薄片分析系統(tǒng)對上述巖石樣品進行了薄片鑒定分析。該系統(tǒng)主要由偏光顯微鏡、計積臺、光電測量儀以及計算機等硬件和軟件組成，通過人工目視、光電自動計數(shù)和計算機程序分析等方式研究測試巖石的礦物顆粒、孔隙度等。石英是碎屑巖中普遍存在的一種碎屑成分，按其構(gòu)成特征，在巖石薄片鑒定中可將石英分為單晶石英(單顆粒狀碎屑)、多晶石英(多顆粒的集合粒狀組成單碎屑)、硅質(zhì)巖屑(沉積型、巖漿型及變質(zhì)型等);在礦物成分上，包括石英、燧石等以SiO2為主要成分的物質(zhì)。在物理性質(zhì)及化學(xué)穩(wěn)定性等方面，這些物質(zhì)與石英具有極為相似的特征。因此，分析研究碎屑巖中石英的成分、含量，實際上是分析研究石英類成分的相關(guān)特征。薄片鑒定中將石英按單晶石英、多晶石英和硅質(zhì)巖屑分別統(tǒng)計含量，而在石英含量分布規(guī)律中則將這3部分的含量累加作為樣品的石英含量。通過薄片觀察，研究巖石樣品中的石英等碎屑具有較好的圓度和球度，粒度分析也表明具有較集中的粒徑分布范圍，因此石英含量可采用體積百分率。圖2給出了砂巖、雜砂巖、細(xì)砂巖和板巖的典型顯微照片。由圖2及鑒定分析結(jié)果可得:(1)砂巖為細(xì)粒不等粒砂狀碎屑結(jié)構(gòu)，碎屑粒徑介于0.01～0.25mm。碎屑形狀不規(guī)則，以角狀及次角狀為主。無序分布，分選較差，主要由石英和硅質(zhì)巖屑組成。碎屑支撐，孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物以硅質(zhì)為主，含少許泥質(zhì)及細(xì)粒石英碎屑雜基，局部有輕微碳酸鹽化。(2)雜砂巖為中至細(xì)粒不等粒砂狀碎屑構(gòu)造，以細(xì)粒為主。主要由石英、少量長石和泥質(zhì)巖屑組成。碎屑粒徑介于0.1～0.3mm，粒度較均勻。顆粒支撐，以線狀接觸為主。鈣質(zhì)含少許泥質(zhì)孔隙式膠結(jié)。(3)細(xì)砂巖為細(xì)粒不等粒砂狀碎屑結(jié)構(gòu)。以石英和硅質(zhì)巖屑為主，含較多長石及云母碎屑。碎屑粒度介于0.05～0.15mm，以不規(guī)則角狀為主。顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)，膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，局部為帶狀膠結(jié)，含少許有機碳質(zhì)充填。(4)板巖為鱗片變晶結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造。主要由絹云母及綠泥石的片狀礦物組成，含少許細(xì)粒石英、云母及鐵質(zhì)碎屑。碎屑含量較少，以石英和云母碎屑為主，粒徑介于0.005～0.02mm之間。形狀不規(guī)則或透鏡狀稀疏散布于變泥質(zhì)基質(zhì)中，并呈半定向分布。3石英含量分布規(guī)律3.1石英含量分布規(guī)律瑪柯河3類碎屑巖(即砂巖(含雜砂巖)、粉砂巖和板巖)中石英含量具有較為明顯的差異。由于粉砂巖僅有一個樣品，石英含量為90%，其規(guī)律性無法歸納。砂巖(含雜砂巖)及板巖中石英含量分布規(guī)律見圖3～圖4。由圖可見，18件砂巖(含雜砂巖)樣品中石英含量為55%～80%，平均為68.44%;從產(chǎn)地上比較，扎洛巖石樣品的石英含量總體上略高于班前巖石樣品，且其石英含量均不低于60%。26件板巖樣品中石英含量主要為1%～30%(為計算方便，將小于1%的含量均近似用1%表示)，平均為8.5%;從產(chǎn)地上比看，瑪爾溝板巖中石英含量極低，班前和扎洛的板巖中石英含量相對較高。因此，石英在砂巖(含雜砂巖)中為主要成分，而在板巖中則為次要成分，且其含量變化較大。3.2粉砂巖和板巖中石英含量杜柯河3類碎屑巖中的石英含量也具有較為明顯的差異(圖5～圖6)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，21件砂巖(含雜砂巖)樣品中石英含量為65%～85%，平均為76.71%;4件粉砂巖樣品中石英含量為65%～90%，平均含量73.75%。29件板巖樣品中大多數(shù)石英含量較低(小于5%)，僅4件樣品達50%以上。因此，石英在砂巖(含雜砂巖)、粉砂巖中為主要成分，而在板巖中為次要成分，且含量變化較大?？傮w上，上杜柯樣品石英含量略高于加塔，易朗溝樣品石英含量相對偏低。從流域上看，杜柯河巖石中石英含量較瑪柯河相當(dāng)樣品偏高。3.3石英作為活性巖石學(xué)特性的組分22塊砂巖及雜砂巖類巖石樣品中的石英含量為50%～87.5%，平均為77.48%(圖8);粉砂巖僅有2塊樣品，石英含量分別為75%和80%，平均含量為77.5%;板巖僅有一塊樣品，石英含量為3%。故石英在砂巖(含雜砂巖)、粉砂巖中為主要的碎屑成分，而在板巖中為次要成分?？傮w上，仁達壩址砂巖中石英含量相對較高，而陳洛略低。3.4巖石中的石英含量瑪柯河、杜柯河、泥曲不同巖性巖石中的石英含量對比分析結(jié)果見圖9。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果以及圖9可見，3條河流不同巖性巖石中的石英含量分布具有較明顯的相似性。砂巖(含雜砂巖)、粉砂巖中的石英含量基本相當(dāng)，石英含量均較高，一般為65%～80%，平均值分別為74.21%和80.41%;板巖中的石英含量較低，一般小于20%，平均值為9.36%;從不同采樣區(qū)域看，杜柯河巖石中石英含量最高，瑪柯河次之，泥曲最低。4石英含量法對tam施工圍巖的分類和開挖效率的影響4.1基于tbm施工的圍巖分類方法石英的硬度為7，且分布廣泛，是TBM施工中經(jīng)常遇到的較重要的不良礦物。目前，基于TBM施工的圍巖分類方法大多直接將石英含量列為主要參數(shù)之一，或者間接地包含在巖石硬度與耐磨性因素中。以Barton建立的QTBM分類法和王學(xué)潮等提出的RTBM法為例，說明石英含量對TBM施工圍巖分類的影響。4.1.1巖性結(jié)構(gòu)參數(shù)qBarton在考慮到TBM破巖機理的基礎(chǔ)上，在Q系統(tǒng)中加入了影響TBM施工的幾個因素，例如刀具壽命指數(shù)、巖體強度、石英含量等，提出了QTBM模型，其具體表達式如下:式中，Q0=(RQD0/Jn)×(Jr/Ja)×(Jw/SRF)，為定向的Q值，其中，RQD0是隧洞軸向的RQD值;CLI為刀具壽命指數(shù)，CLI=13.84×(SJ/AVS)0.3847,SJ和AVS分別由相應(yīng)的試驗確定;SIGMA為巖體強度，SIGMA=5γQC1/3;QC=Q0×(RC/100)，其中，γ為巖石的容重(kN·m-3);RC為巖石的單軸飽和抗壓強度(MPa);F為刀具平均出力(MPa);q為巖石的石英含量(%);σθ為雙軸應(yīng)力(MPa)。由式(1)可見，QTBM得分值與石英含量q之間呈明顯的線性關(guān)系，因此巖石中的石英含量對基于QTBM方法得到的圍巖分類結(jié)果具有顯著影響。4.1.2rtbm法分類王學(xué)潮等提出的RTBM法根據(jù)南水北調(diào)西線工程實際地質(zhì)條件，考慮工程巖體的可掘進性，重點針對掘進速度AV和刀具壽命指數(shù)CLI進行圍巖分類。RTBM法的主要分類依據(jù)或參數(shù)包括:巖石單軸抗壓強度UCS、巖組特征、巖體結(jié)構(gòu)面特征和石英含量4個指標(biāo)?；谝陨?個因素，結(jié)合南水北調(diào)西線工程實際地質(zhì)條件，RTBM法的具體分類方法見表2。很明顯，石英含量越低，對TBM施工圍巖分類的影響越小，圍巖類別越高;相反地，石英含量越高，巖石硬度和耐磨性越高，類別越低。由此可見，根據(jù)RTBM法可將石英含量對圍巖分類的影響程度分為4個等級，即輕微(<5%)、明顯(5%～30%)、中等(30%～60%)、嚴(yán)重(≥60%)4級。根據(jù)前述石英含量統(tǒng)計分析成果，可以得到瑪柯河、杜柯河、泥曲不同巖性巖石的石英含量對TBM施工圍巖分類的影響等級(表3)。從表3中可以看出，砂巖(含雜砂巖)中的石英含量屬于中等-嚴(yán)重等級，以嚴(yán)重等級為主;粉砂巖中的石英含量屬于嚴(yán)重等級;板巖中的石英含量屬于輕微-明顯等級，以輕微等級為主。4.2baron模型預(yù)測模型實踐表明，巖石中的石英含量越高，巖石的硬度越大，巖石的耐磨性也越高，TBM刀具的磨損就越大，掘進速率就越慢。因此，石英含量不但是影響刀具壽命指數(shù)CLI的重要因素，刀具磨損消耗越高，造成停機換刀的次數(shù)就越多，從而影響TBM正常掘進，相應(yīng)地TBM掘進效率也就越低。另外，石英含量也通常直接用于掘進速度(PenetrationRate,PR)和施工速度(AdvanceRate,AR)的預(yù)測模型中，例如QTBM模型。下面以Barton提出的QTBM模型說明石英含量對TBM掘進效率的影響。Barton根據(jù)大量工程數(shù)據(jù)，建立了掘進速度PR和施工速度AR與QTBM之間的經(jīng)驗關(guān)系:式中，T=(L/PR)1/(1+m);m為TBM施工功效折減系數(shù)，m=m1(D/5)0.20(20/CLI)0.15(q/20)0.10(n/2)0.05;其中L為掘進長度(m);m1為TBM功率折減率;D為隧洞直徑(m);n為巖石的孔隙率(%)。另外，Barton還通過對大量隧道工程實踐數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)得出掘進速度PR、施工速度AR與QTBM之間的關(guān)系(圖10)。圖中左右軸分別為掘進速度PR和施工速度AR,QTBM的“對數(shù)”比例表示在底部橫軸下。由式(2)～(3)和圖10可見;(1)在理論上掘進速度PR與QTBM值成反比，在其他參數(shù)不變的情況下，巖石中石英含量越低，QTBM值越小，掘進速度PR值越大。然而，當(dāng)QTBM值非常小時，巖體質(zhì)量差，圍巖不穩(wěn)定，往往會出現(xiàn)隧洞超挖、刀頭卡死、變形嚴(yán)重、無法支撐等問題，反而導(dǎo)致施工速度AR減小，從而使得掘進效率降低。(2)對于質(zhì)量較好的圍巖(QTBM值>1)巖石中石英含量越高，TBM施工功效折減系數(shù)m越大，QTBM值也越大，從而導(dǎo)致TBM施工掘進速度PR和施工速度AR越低，TBM施工掘進效率也就越低。5tbm施工圍巖分類與掘進效率的影響(1)對南水北調(diào)西線工程瑪柯河、杜柯河、泥曲等3條河流上的124塊代表性樣品進行了巖石薄片鑒定和粒度統(tǒng)計分析，得到了石英含量分布規(guī)律。根據(jù)統(tǒng)計分析成果，討論了石英含量分布規(guī)律對TBM施工圍巖分類與掘進效率的影響。(2)砂巖(含雜砂巖)、粉砂巖和板巖中的石英含量具有