砂岩磨蚀性在“天鲲号”绞吸挖泥船挖掘过程中的应用

张更生，殷瑞林，曹 凯，李 能

(1.中交(天津)生态环保设计研究院有限公司，天津300202；2.中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457)

广西某港航道扩建工程疏浚土质为风化砂岩，此类土在我国东部和西南部沿海分布较为广泛，主要为砂土颗粒在水力、压力和温度等作用下与钙质胶结沉积而成。砂岩具有不均匀性、软硬交替、强度较大、可挖性相对较差，在挖掘过程中对接触刀齿、水下泵和管线等磨蚀严重，刀齿更换增加非正常施工时间，降低了重型绞吸船挖掘效率、提高了疏浚施工成本、增大疏浚管理和运作风险。针对此类典型风化砂岩特性进行分析研究，基于磨蚀性理论找出广西钦州砂岩特性指标、磨蚀性指数与绞刀刀齿消耗的内在关系，预估绞刀刀齿消耗是某港航道扩建工程亟待解决的问题。

目前，国内外关于风化岩石特性对施工机具磨蚀的研究取得了一系列成果。王昶皓等[1]通过室内试验，分析了岩石各种属性对钻探复合片磨蚀的影响规律，揭示了影响复合片磨蚀的顺序为：弹性模量>石英含量>内摩擦角>表面粗糙度>泊松比>内聚力；将复合片磨蚀体积与岩石可钻性级值相结合，建立了岩石的研磨性评价指标，然后将岩石研磨性重新划分为7个等级，对制定岩石研磨性的分级标准具有一定的借鉴意义。世界水运基础设施协会组织编制了《海洋疏浚岩土分类》标准，指出疏浚岩石矿物成分、抗压强度、抗拉强度等指标对机具磨蚀量影响较大，提出了采用相对维氏硬度(HVQeq)、改进的Schimazek值F和Cerchar划痕试验等方法来衡量疏浚岩石的磨蚀严重程度[2]。王旭等[3]进行岩石掘进机TBM破碎岩石机理研究，指出影响刀具磨蚀的因素有机械因素和地质因素，机械因素包括施加在滚刀上的荷载和刀盘转速；地质因素主要包括岩石的物质组成、岩石的强度或硬度、结构面发育状况以及岩石颗粒的形状和尺寸等。屠晓利等[4]进行了冲击凿岩磨蚀性研究，指出冲击凿岩钻头的磨蚀是多种磨蚀机理共同起作用、影响岩石磨蚀性的主要因素是岩石的整体坚固程度和硬矿物含量、岩石磨蚀性系数是凿碎比功和硬矿物含量的函数。综上可以看出，国内外关于风化岩对机具磨蚀性的研究，主要集中在石油开采、隧道挖掘等方向，分析岩石物理力学指标及矿物成分对施工机械的影响；而疏浚工程领域风化岩石对疏浚机具磨蚀性研究鲜见报道。因此，结合国内外关于风化岩磨蚀性研究成果，采用室内试验、理论推导和数据统计等方法衡量疏浚风化岩石关键特性指标对疏浚机具磨蚀性的影响，从而带动疏浚技术理论革新、促进疏浚行业整体水平提升具有重大意义。

本文借鉴国内外风化岩石物理力学指标与磨蚀性关系研究成果，依托广西某港航道扩建工程，采用重型绞吸船疏浚典型风化砂岩，在充分了解此类土质特性的基础上，探索影响刀齿、管线等疏浚机具关键岩石指标，基于风化岩磨蚀性理论，采用改进的Schimazek值F，评估风化砂岩磨蚀性能，创新性地建立风化砂岩特性指标、改进的Schimazek值F和刀齿消耗量之间的相关关系，利用拟合经验公式预测绞刀刀齿消耗量，优化疏浚施工工艺，提升该类土质疏浚工程施工的时效性、经济性和可靠性，为典型土质疏浚施工提供技术支撑，具有重要的实际应用价值。

1 疏浚风化砂岩磨蚀指标

为了充分了解疏浚风化砂岩的磨蚀特性，基于疏浚工程勘察成果、现场施工刀齿磨蚀和更换情况，对应采取施工过程中岩石样品，进行了岩石单轴饱和抗压强度、抗拉强度和矿物成分分析试验。试验结果见表1。

表1 疏浚风化砂岩特性指标

由表1可知，广西某港航道扩建工程疏浚土质为风化砂岩，风化程度为强风化和中风化。强风化砂岩裂隙发育强烈，岩体较为破碎，完整性很差，单轴饱和抗压强度为2～8 MPa，饱和抗拉强度为0.16～0.6 MPa，疏浚岩土工程特性分级为11～12级，为极软岩-软岩，且遇水软化，重型绞吸船“天鲲号”绞刀齿在外力作用下入岩顺畅，挖掘较为容易；强风化砂岩经过绞刀破坏、水力作用和管线输送撞击，到达泥塘后呈角砾和卵石混合物。中风化砂岩裂隙发育不强烈，岩体完整性较好，单轴饱和抗压强度为9～41 MPa，饱和抗拉强度为0.6～4.6 MPa，疏浚岩土工程特性分级为12～13级[5]，重型绞吸船“天鲲号”挖掘不容易，施工时绞刀刀臂和刀齿磨蚀断裂问题突出，是影响疏浚效率关键土质；特别当单轴饱和抗压强度大于25 MPa时，绞刀齿入岩深度减小，在万方刀齿消耗量中断齿比例增加，使得挖掘效率难以控制，给疏浚生产成本控制造成极大风险。

经过X衍射矿物频谱分析和显微镜观察，风化砂岩骨架颗粒主要成分为石英、长石、云母和方解石等；颗粒之间钙质胶结，含有少量的黏粒基质，元素以硅和钙最多，其次为铁、钛、铝、钾等元素，石英是最主要的硅质胶结物质，莫氏硬度为7，石英含量大小和钙质胶结密实程度将决定风化砂岩强度大小，是疏浚挖掘刀齿磨蚀主要微观影响因素。强风化砂岩石英的含量为30%～49%，平均值为38.6%；中风化砂岩石英的含量为41%～80%，平均值为59%。可见石英含量中风化砂岩是强风化砂岩的1.53倍，因此随着风化砂岩石英含量增加，绞刀刀齿入岩深度逐渐减小、刀齿万方磨耗逐渐增加，将导致疏浚挖掘生产率逐渐减小。

2 岩石磨蚀评价理论

影响重型绞吸船挖掘刀齿磨蚀的主要因素是疏浚岩土的磨蚀性，磨蚀性是疏浚岩土和挖掘设备材料硬度对比的函数，风化岩石硬度取决于所含矿物种类、矿物成分含量、矿物相对硬度和岩石强度。通过风化岩石的物理力学和矿物成分试验，采用加权方法计算风化岩石相对于石英的相对维氏硬度(HVQeq)：

(1)

式中：HVQeq为风化岩石的相对于石英的相对维氏硬度；hi为矿物成分质量百分比(%)；VHi为矿物相对于石英的相对维氏硬度，见表2。

表2 矿物硬度

疏浚机具等效石英维氏硬度为刀齿0.54、碳化钨1.26、管道钢材0.18。通过疏浚风化岩石与挖掘刀齿的等效石英维氏硬度对比，可定量衡量疏浚风化岩石对疏浚机具磨蚀程度评价。通常，当疏浚风化岩石等效石英维氏硬度/挖掘刀齿的等效石英维氏硬度≤1，表明疏浚风化岩石磨蚀性相对较低；当疏浚风化岩石等效石英维氏硬度/挖掘刀齿的等效石英维氏硬度>1时，表明疏浚风化岩石磨蚀性相对较高。

为了更全面衡量风化岩石特性对挖掘机具磨蚀程度影响，综合考虑矿物成分种类、矿物含量、矿物硬度、岩石粒度和岩石饱和抗拉强度因素，可通过采用改进的Schimazek值F理论来评估岩石材料的磨蚀性：

F=BTS·φ·HVQeq

(2)

式中：HVQeq为风化岩石相对于石英的相对维氏硬度；BTS为岩石饱和抗拉强度(MPa)；φ为风化岩石颗粒平均粒度(mm)，本工程风化砂岩取值为0.2 mm。

基于风化岩石特性指标，采用计算定量指标改进的Schimazek值F，将风化岩石对疏浚刀齿的磨蚀由低磨蚀性-高磨蚀性，共分为5级，见表3。

表3 岩石磨蚀性程度分级

3 风化砂岩磨蚀评价指标分析

依托广西某港航道扩建工程，综合考虑矿物成分种类、矿物含量、矿物硬度、岩石粒度和岩石饱和抗拉强度等因素，计算了强风化砂岩和中风化砂岩改进的Schimazek值F，见表4。

从表4可以看出，强风化砂岩改进的Schimazek值F平均值为0.046 N/mm，范围值为0.014～0.081 N/mm，磨蚀性等级为低磨蚀性-中等磨蚀性，多为中等磨蚀性，万方平均刀齿消耗21个；中风化砂岩改进的Schimazek值F平均值为0.264 N/mm，范围值为0.072～0.787 N/mm，磨蚀性等级为中等磨蚀性-较高磨蚀性，万方平均刀齿消耗72个，中风化砂岩万方平均刀齿消耗是强风化砂岩万方平均刀齿消耗的3.43倍，因此重型绞吸船挖掘中风化砂岩时，刀齿消耗量和换齿时间的增加，严重影响了疏浚船舶效率发挥。

重型绞吸船“天鲲号”采用两泵(水下泵和舱内泵)施工，管线总长度为2 700～4 000 m，流速为5.3～7.0 m/s，挖掘刀齿采用挖岩绞刀并配尖齿。基于现场施工日志、项目部报表和船舶存储数据，统计了挖掘不同强度和矿物含量风化砂岩的刀齿消耗量；通过风化砂岩力学指标和矿物成分测试结果，计算得出不同特性风化砂岩改进的Schimazek值F，选取正常施工的86组数据链建立联系，进行数据拟合，得出风化砂岩改进Schimazek值F与万方刀齿消耗量存在幂函数关系，见图1。

挖掘风化砂岩时，“天鲲号”万方刀齿消耗量和改进Schimazek值F之间经验关系为：

N= 215.4F0.792

(3)

式中：F为改进Schimazek值(N/mm)，0.014 N/mm≤F≤0.787 N/mm；N为“天鲲号”万方刀齿消耗量(个)。

从图1可知，强风化砂岩万方刀齿消耗量为6～56个、中风化砂岩刀齿消耗量为18～175个，随着Schimazek值F增大万方刀齿消耗呈现逐渐增大趋势。当Schimazek值F小于0.4 N/mm时，万方刀齿消耗量离散程度小；当Schimazek值F大于0.4 N/mm时，此时风化砂岩的石英含量在65%以上，单轴饱和抗压强度在25 MPa以上，刀齿消耗离散程度逐渐变大；当Schimazek值F大于0.62 N/mm时，单轴饱和抗压强度在32 MPa以上，绞刀刀齿入岩较浅，疏浚施工挖掘效率低，刀齿与风化岩石接触面减小，刀齿万方磨蚀消耗量反而降低，主要以受力断裂为主。

4 “天鲲号”挖掘风化砂岩刀齿消耗估算

基于广西某港航道扩建工程，选取5组不同强度的风化砂岩进行岩石性能指标测试，得出风化砂岩的单轴饱和抗压强度、饱和抗拉强度和矿物含量，依据万方刀齿消耗量和改进Schimazek值F之间经验关系，估算了“天鲲号”挖掘风化砂岩刀齿消耗量。对应“天鲲号”施工不同特性风化砂岩，实测了刀齿消耗量，挖掘风化砂岩刀齿消耗量预测值和实测值对比见表5。

表5 刀齿消耗量预测值和实测值对比

基于表5中的挖掘万方风化砂岩刀齿消耗量计算值和实测值，绘制对比图，见图2。

图2 万方刀齿消耗量计算值和实测值对比

从表5和图2可以看出，“天鲲号”重型绞吸船在挖掘风化砂岩时，利用推导公式计算万方刀齿消耗量，与实际监测万方刀齿消耗量相对偏差值区间为-11.9%～17.3%。从曲线的形态可知，挖掘相同特征风化砂岩，随着改进Schimazek值F增大，万方刀齿消耗量的实测值和预测值均在变大，两者趋势一致。改进Schimazek值F为0.25 N/mm时，为挖掘万方风化砂岩刀齿消耗量预测值与实测值相对偏差分界线。当改进Schimazek值F小于0.25 N/mm时，预测值小于实测值，相对偏差为-11.9%～-6.6%；当改进Schimazek值F大于0.25 N/mm时，预测值大于实测值，相对偏差为15.2%～17.3%。随着风化砂岩磨蚀性增加，重型绞吸船挖掘破岩的难度增加，万方刀齿消耗量预测偏差增大。万方刀齿消耗量计算值和实测值的相对偏差绝对值在17.3%以下，推导万方刀齿消耗量和改进Schimazek值F关系公式，在指定工况条件下应用于刀齿消耗量预测的可靠性好，并可在以后的施工生产中，利用挖掘岩石磨蚀性理论来预测绞刀齿消耗量，为疏浚施工投标决策、施工过程的管理控制提供技术支持，具有重要实际应用价值。

5 结论

1)基于广西某港航道扩建工程，分析风化砂岩磨蚀特性，指出中风化砂岩裂隙发育不强烈、岩体完整性较好，单轴饱和抗压强度为9～41 MPa，饱和抗拉强度为0.6～4.6 MPa；石英含量大小和钙质胶结密实程度将决定风化砂岩强度大小，是疏浚挖掘刀齿磨蚀主要微观影响因素，中风化砂岩石英含量平均值为59%，是强风化砂岩的1.53倍，疏浚岩土工程特性分级为12～13级，重型绞吸船“天鲲号”挖掘不容易，施工时绞刀刀臂和刀齿磨蚀断裂问题突出，中风化砂岩是影响疏浚效率关键土质。

2)创新性引入改进的Schimazek值F理论，综合考虑矿物成分种类、矿物含量、矿物硬度、岩石粒度和岩石饱和抗拉强度等因素，来评估岩石材料的磨蚀性。

3)基于疏浚岩石磨蚀性理论，推导出“天鲲号”万方刀齿消耗量和改进Schimazek值F之间公式。

4)基于推导出的公式，预测“天鲲号”万方刀齿消耗量计算值和实测值的相对偏差绝对值在17.3%以下，可靠性好，可为类似工程经营生产提供借鉴。