岩石强度与耐磨性参数的数字钻进测定技术研究

发布时间：2020-05-19 17:32

【摘要】：全断面隧道掘进机(TBM)施工法具有机械化程度高、掘进速度快、作业环境好、生态扰动小以及综合效益优等特点,已成为了目前国内外隧洞工程的重要施工手段。但由于TBM对工作地质条件适应性差这一特殊性,使得现有应用于传统钻爆法施工的围岩探测技术不能直接应用于TBM施工。因此,如何快速、准确地超前获取TBM施工洞段岩体基本物理力学特性,尤其是岩石强度和耐磨性参数,是保证TBM施工安全与提高掘进效率亟需解决的问题。应用多功能数字钻进测试系统,进行不同类型砂浆与岩石试样的室内数字钻进试验以及物理力学性质试验。研究了数字钻进参数与岩石物理力学特性的相关性,提出了岩石数字钻进参数与其物理力学参数的关系模型,揭示了岩石钻进过程中随钻参数与其物理力学特性之间的内在联系,并基于能量守恒原理,获得了数字钻进参数与钻进效率的数学模型。(1)成功利用多功能数字钻进测试系统,初步实现了岩石钻进过程中随钻参数的实时监测和精确采集。基于岩石数字钻进测试结果,研究数字研磨钻进过程运行参数与响应参数之间的响应关系,验证了多功能数字钻进测试系统结构的合理性及有效性,为深入探讨数字钻进参数与岩石物理力学参数的相关性奠定了设备基础。(2)基于能量分析方法,提出了岩石研磨钻进过程的数学模型,定义了岩石单位研磨能ηe以及推导出其理论表达式,建立了数字钻进参数与岩石强度参数UCS的关系模型,并利用岩石数字研磨钻进试验结果验证了模型的合理性。(3)根据室内岩石物理力学性质试验分析结果,包括岩石单轴压缩试验、Cerchar磨蚀性试验和矿物成分分析试验,分别得到了岩石矿物成分石英含量(Q)、等效石英含量(EQC)、矿物加权硬度(H)、单轴抗压强度(UCS)参数以及岩石磨蚀性指数(RAI)与Cerchar磨蚀性指数(CAI)之间的数学关系式。结合岩石数字研磨钻进试验计算结果,利用岩石单位研磨能ηe,建立了数字钻进参数与岩石耐磨性参数CAI的关系模型,并验证了模型的合理性。(4)考虑到岩石旋切钻进过程中的破碎特征,利用能量守恒原理构建了岩石旋切钻进过程的数学模型,从而建立了数字钻进参数与钻进效率的关系模型。基于正交试验原理,开展了基于花岗岩的数字旋切钻进原位试验,获得了数字钻进参数对钻进效率的敏感性规律。
【图文】：

试验部分,数字,试样,钻进参数

表 2-1 不同强度砂浆配比参数Table 2-1 Proportion parameters of mortar with different strength砂浆强度等级水泥，kg/m3标准砂，kg/m3水，kg/m3M10 275M15 3101450 300M20 370注：水泥强度等级均为 42.5。方案设计岩石数字研磨钻进试验包括初步探讨性试验与系统研究性试验。初步探讨验主要是研究岩石钻进过程中数字钻进参数之间的响应关系，该试验选取砂样共 36 组，其中 M10 和 M20 各 6 组，M15 为 24 组；岩石试样共 30 组，其岩 18 组，花岗岩 12 组。系统研究性试验的目的是想通过初步探讨试验分析，深入地揭示数字钻进参数与岩石物理力学参数的数学关系，该试验选取砂样共 15 组，，其中 M10、M15 与 M20 各 5 组；岩石试样共 19 组，其中灰岩，花岗岩 8 组。用于数字钻进试验的部分试样如图 2-4 所示。

单轴抗压强度,砂浆

(e)岩石试样破坏形态 (f)砂浆试样破坏形态图 2-6 室内单轴抗压强度试验Figure 2-6 Indoor uniaxial compressive strength test试验结果共对 34 组标准试样进行了单轴压缩试验，试验整理结果见表 2-5。表 2-5 单轴抗压试验结果Table 2-5 Uniaxial compressive test results试样编号岩性单轴抗压强度 Rc，MPa单值平均值M10-1 砂浆 4.21 5.25 3.16 4.21M10-2 砂浆 3.1 3.91 4.82 3.94M15-1 砂浆 15.42 16.24 14.05 15.24M15-2 砂浆 15.68 13.59 14.31 14.53M20-1 砂浆 19.78 21.24 18.92 19.98M20-2 砂浆 17.63 20.12 19.73 19.16KII231-1 白云质灰岩 47.89 62.34 58.31 56.18KII231-2 深色灰岩 90.32 122.54 106.78 106.55
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV554

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