石英含量分布对bm施工围岩分类和掘进效率的影响

石英含量分布对bm施工围岩分类和掘进效率的影响

1地质因素对tbm施工影响的数值分析线路的设计是为长江上游的主要支流流量调节工程的特写镜头。该工程位于海拔3000m以上的青藏高原的东北缘，横跨巴颜喀拉山的东段。引水枢纽主要位于大渡河支流阿柯河、玛柯河、杜柯河以及雅砻江干流及支流泥曲、达曲等河流上。区内地质条件十分复杂，属中等-深切割高山区，褶皱构造异常发育，地层褶皱强烈，北西向断裂构造较为发育且部分为活动断裂。地层多为陡倾岩层，岩性以砂岩、板岩为主。南水北调西线工程的核心在于超长隧洞，关键在于TBM施工。影响TBM施工成败与效率的地质因素主要有岩石强度、岩石硬度及耐磨性、岩体结构等。如何合理评价地质因素对TBM施工的影响，科学地进行TBM施工围岩分类是一项基础性工作。有关TBM隧洞施工围岩分类和施工掘进预测问题，许多学者开展了富有成效的研究工作，取得了一些有价值的研究成果。普遍认为，岩石硬度与耐磨性是影响TBM施工效率和刀具寿命的主要因素之一。然而，岩石硬度与耐磨性与岩石中的石英含量是密切相关的。因此，结合TBM施工破岩机理，从微观层面上研究引水线路岩石碎屑粒度与石英含量分布规律是十分必要的。为此，在南水北调西线工程玛柯河、杜柯河、泥曲等3条河流段共采集124块代表性样品，通过岩石薄片鉴定进行了岩石组成的对比研究，基于岩石碎屑粒度统计分析，得到了石英含量分布规律。根据统计分析成果，讨论了石英含量分布规律对TBM施工围岩分类与掘进效率的影响。2岩石矿物成分分析研究所用的124块代表性岩石样品采自玛柯河、杜柯河、泥曲等3条河流坝址上(表1)。利用成都理工大学研制开发的孔隙铸体薄片分析系统对上述岩石样品进行了薄片鉴定分析。该系统主要由偏光显微镜、计积台、光电测量仪以及计算机等硬件和软件组成，通过人工目视、光电自动计数和计算机程序分析等方式研究测试岩石的矿物颗粒、孔隙度等。石英是碎屑岩中普遍存在的一种碎屑成分，按其构成特征，在岩石薄片鉴定中可将石英分为单晶石英(单颗粒状碎屑)、多晶石英(多颗粒的集合粒状组成单碎屑)、硅质岩屑(沉积型、岩浆型及变质型等);在矿物成分上，包括石英、燧石等以SiO2为主要成分的物质。在物理性质及化学稳定性等方面，这些物质与石英具有极为相似的特征。因此，分析研究碎屑岩中石英的成分、含量，实际上是分析研究石英类成分的相关特征。薄片鉴定中将石英按单晶石英、多晶石英和硅质岩屑分别统计含量，而在石英含量分布规律中则将这3部分的含量累加作为样品的石英含量。通过薄片观察，研究岩石样品中的石英等碎屑具有较好的圆度和球度，粒度分析也表明具有较集中的粒径分布范围，因此石英含量可采用体积百分率。图2给出了砂岩、杂砂岩、细砂岩和板岩的典型显微照片。由图2及鉴定分析结果可得:(1)砂岩为细粒不等粒砂状碎屑结构，碎屑粒径介于0.01～0.25mm。碎屑形状不规则，以角状及次角状为主。无序分布，分选较差，主要由石英和硅质岩屑组成。碎屑支撑，孔隙式胶结，胶结物以硅质为主，含少许泥质及细粒石英碎屑杂基，局部有轻微碳酸盐化。(2)杂砂岩为中至细粒不等粒砂状碎屑构造，以细粒为主。主要由石英、少量长石和泥质岩屑组成。碎屑粒径介于0.1～0.3mm，粒度较均匀。颗粒支撑，以线状接触为主。钙质含少许泥质孔隙式胶结。(3)细砂岩为细粒不等粒砂状碎屑结构。以石英和硅质岩屑为主，含较多长石及云母碎屑。碎屑粒度介于0.05～0.15mm，以不规则角状为主。颗粒支撑，孔隙式胶结，胶结物以泥质为主，局部为带状胶结，含少许有机碳质充填。(4)板岩为鳞片变晶结构，板状构造。主要由绢云母及绿泥石的片状矿物组成，含少许细粒石英、云母及铁质碎屑。碎屑含量较少，以石英和云母碎屑为主，粒径介于0.005～0.02mm之间。形状不规则或透镜状稀疏散布于变泥质基质中，并呈半定向分布。3石英含量分布规律3.1石英含量分布规律玛柯河3类碎屑岩(即砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩和板岩)中石英含量具有较为明显的差异。由于粉砂岩仅有一个样品，石英含量为90%，其规律性无法归纳。砂岩(含杂砂岩)及板岩中石英含量分布规律见图3～图4。由图可见，18件砂岩(含杂砂岩)样品中石英含量为55%～80%，平均为68.44%;从产地上比较，扎洛岩石样品的石英含量总体上略高于班前岩石样品，且其石英含量均不低于60%。26件板岩样品中石英含量主要为1%～30%(为计算方便，将小于1%的含量均近似用1%表示)，平均为8.5%;从产地上比看，玛尔沟板岩中石英含量极低，班前和扎洛的板岩中石英含量相对较高。因此，石英在砂岩(含杂砂岩)中为主要成分，而在板岩中则为次要成分，且其含量变化较大。3.2粉砂岩和板岩中石英含量杜柯河3类碎屑岩中的石英含量也具有较为明显的差异(图5～图6)。根据统计结果，21件砂岩(含杂砂岩)样品中石英含量为65%～85%，平均为76.71%;4件粉砂岩样品中石英含量为65%～90%，平均含量73.75%。29件板岩样品中大多数石英含量较低(小于5%)，仅4件样品达50%以上。因此，石英在砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩中为主要成分，而在板岩中为次要成分，且含量变化较大。总体上，上杜柯样品石英含量略高于加塔，易朗沟样品石英含量相对偏低。从流域上看，杜柯河岩石中石英含量较玛柯河相当样品偏高。3.3石英作为活性岩石学特性的组分22块砂岩及杂砂岩类岩石样品中的石英含量为50%～87.5%，平均为77.48%(图8);粉砂岩仅有2块样品，石英含量分别为75%和80%，平均含量为77.5%;板岩仅有一块样品，石英含量为3%。故石英在砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩中为主要的碎屑成分，而在板岩中为次要成分。总体上，仁达坝址砂岩中石英含量相对较高，而陈洛略低。3.4岩石中的石英含量玛柯河、杜柯河、泥曲不同岩性岩石中的石英含量对比分析结果见图9。根据统计结果以及图9可见，3条河流不同岩性岩石中的石英含量分布具有较明显的相似性。砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩中的石英含量基本相当，石英含量均较高，一般为65%～80%，平均值分别为74.21%和80.41%;板岩中的石英含量较低，一般小于20%，平均值为9.36%;从不同采样区域看，杜柯河岩石中石英含量最高，玛柯河次之，泥曲最低。4石英含量法对tam施工围岩的分类和开挖效率的影响4.1基于tbm施工的围岩分类方法石英的硬度为7，且分布广泛，是TBM施工中经常遇到的较重要的不良矿物。目前，基于TBM施工的围岩分类方法大多直接将石英含量列为主要参数之一，或者间接地包含在岩石硬度与耐磨性因素中。以Barton建立的QTBM分类法和王学潮等提出的RTBM法为例，说明石英含量对TBM施工围岩分类的影响。4.1.1岩性结构参数qBarton在考虑到TBM破岩机理的基础上，在Q系统中加入了影响TBM施工的几个因素，例如刀具寿命指数、岩体强度、石英含量等，提出了QTBM模型，其具体表达式如下:式中，Q0=(RQD0/Jn)×(Jr/Ja)×(Jw/SRF)，为定向的Q值，其中，RQD0是隧洞轴向的RQD值;CLI为刀具寿命指数，CLI=13.84×(SJ/AVS)0.3847,SJ和AVS分别由相应的试验确定;SIGMA为岩体强度，SIGMA=5γQC1/3;QC=Q0×(RC/100)，其中，γ为岩石的容重(kN·m-3);RC为岩石的单轴饱和抗压强度(MPa);F为刀具平均出力(MPa);q为岩石的石英含量(%);σθ为双轴应力(MPa)。由式(1)可见，QTBM得分值与石英含量q之间呈明显的线性关系，因此岩石中的石英含量对基于QTBM方法得到的围岩分类结果具有显著影响。4.1.2rtbm法分类王学潮等提出的RTBM法根据南水北调西线工程实际地质条件，考虑工程岩体的可掘进性，重点针对掘进速度AV和刀具寿命指数CLI进行围岩分类。RTBM法的主要分类依据或参数包括:岩石单轴抗压强度UCS、岩组特征、岩体结构面特征和石英含量4个指标。基于以上4个因素，结合南水北调西线工程实际地质条件，RTBM法的具体分类方法见表2。很明显，石英含量越低，对TBM施工围岩分类的影响越小，围岩类别越高;相反地，石英含量越高，岩石硬度和耐磨性越高，类别越低。由此可见，根据RTBM法可将石英含量对围岩分类的影响程度分为4个等级，即轻微(<5%)、明显(5%～30%)、中等(30%～60%)、严重(≥60%)4级。根据前述石英含量统计分析成果，可以得到玛柯河、杜柯河、泥曲不同岩性岩石的石英含量对TBM施工围岩分类的影响等级(表3)。从表3中可以看出，砂岩(含杂砂岩)中的石英含量属于中等-严重等级，以严重等级为主;粉砂岩中的石英含量属于严重等级;板岩中的石英含量属于轻微-明显等级，以轻微等级为主。4.2baron模型预测模型实践表明，岩石中的石英含量越高，岩石的硬度越大，岩石的耐磨性也越高，TBM刀具的磨损就越大，掘进速率就越慢。因此，石英含量不但是影响刀具寿命指数CLI的重要因素，刀具磨损消耗越高，造成停机换刀的次数就越多，从而影响TBM正常掘进，相应地TBM掘进效率也就越低。另外，石英含量也通常直接用于掘进速度(PenetrationRate,PR)和施工速度(AdvanceRate,AR)的预测模型中，例如QTBM模型。下面以Barton提出的QTBM模型说明石英含量对TBM掘进效率的影响。Barton根据大量工程数据，建立了掘进速度PR和施工速度AR与QTBM之间的经验关系:式中，T=(L/PR)1/(1+m);m为TBM施工功效折减系数，m=m1(D/5)0.20(20/CLI)0.15(q/20)0.10(n/2)0.05;其中L为掘进长度(m);m1为TBM功率折减率;D为隧洞直径(m);n为岩石的孔隙率(%)。另外，Barton还通过对大量隧道工程实践数据的分析，总结得出掘进速度PR、施工速度AR与QTBM之间的关系(图10)。图中左右轴分别为掘进速度PR和施工速度AR,QTBM的“对数”比例表示在底部横轴下。由式(2)～(3)和图10可见;(1)在理论上掘进速度PR与QTBM值成反比，在其他参数不变的情况下，岩石中石英含量越低，QTBM值越小，掘进速度PR值越大。然而，当QTBM值非常小时，岩体质量差，围岩不稳定，往往会出现隧洞超挖、刀头卡死、变形严重、无法支撑等问题，反而导致施工速度AR减小，从而使得掘进效率降低。(2)对于质量较好的围岩(QTBM值>1)岩石中石英含量越高，TBM施工功效折减系数m越大，QTBM值也越大，从而导致TBM施工掘进速度PR和施工速度AR越低，TBM施工掘进效率也就越低。5tbm施工围岩分类与掘进效率的影响(1)对南水北调西线工程玛柯河、杜柯河、泥曲等3条河流上的124块代表性样品进行了岩石薄片鉴定和粒度统计分析，得到了石英含量分布规律。根据统计分析成果，讨论了石英含量分布规律对TBM施工围岩分类与掘进效率的影响。(2)砂岩(含杂砂岩)、粉砂岩和板岩中的石英含量具有