Ресурс режущего инструмента является одной из основных статей затрат на механизированный способ щитовой проходки протяженного тоннеля с помощью тоннельной буровой машины (ТБМ). Для успешной работы периодически заменяемого режущего инструмента машины в абразивных породах, в т.ч. содержащих валунный материал, в состав инженерных изысканий необходимо включать предварительное определение и текущее контрольное тестирование абразивных свойств вмещающих горных пород. Однако проблема определения абразивности горных пород состоит в несопоставимости результатов, получаемых разными экспериментальными методами при проведении инженерных изысканий, и неопределенности выбора наиболее эффективного и доступного метода. В статье поставлена задача сопоставить существующие методы и получаемые результаты на образцах твердых горных пород в виде качественной классификации по абразивности. В целях прогноза текущего износа режущего инструмента ТБМ рассмотрены особенности четырех различных методов определения абразивности на образцах твердых горных пород. С помощью Cerchar-индекса абразивности CAI, как базового метода, была оценена точность определения индекса абразивности RAI — результата умножения таких показателей, как эквивалентное содержание кварца EQC и предел прочности на одноосное сжатие в породе UCS. На основе имеющейся шкалы российских коэффициентов абразивности К_аб, разработанной в Институте горного дела им. А.А. Скочинского, и расширенной в США классификации Cerchar, составлена восьмиразрядная совмещенная классификация CAI и К_аб. После определения среднего коэффициента абразивности К_аб вмещающие породы тоннелей Челябинского метрополитена были качественно классифицированы как малоабразивные породы (порфир и хлоритизированный серпентинит), так и породы ниже средней абразивности (гранито-гнейс).

1. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К., 1968. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Том 1. Научно-методические основы. Разрушение резцовым инструментом. Наука, Москва.
2. Винников В.А., Давиденко Б.Ю., Каркашадзе Г.Г., 1990. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физика горных пород», под ред. Г.А. Янченко. Изд-во МГИ, Москва.
3. Вознесенский А.С., Мазеин С.В., Данилов Г.В., 2020. Опыт прогнозирования и мониторинга износа режущего инструмента в абразивных грунтах при механизированной щитовой проходке тоннелей. Метро и тоннели, № 4, c. 19–25.
4. Мазеин С.В., 2009. Оптимизация оснащения ротора и периодичности замены режущего инструмента при щитовой проходке тоннельных и других выработок. Горный журнал, № 10, с. 84–86.
5. Мазеин С.В., Вознесенский А.С., Панкратенко А.Н., 2017. Инженерные изыскания и геотехнические проблемы при строительстве тоннелей с помощью тоннельных буровых машин (ТБМ) под городской застройкой. Геотехника, № 4, с. 42–50.
6. Мазеин С.В., Вознесенский А.С., Прищепов В., 2021. Прогноз абразивности грунтов при первичном износе режущего инструмента для строительства тоннелей большого сечения. В сб. статей под ред. М.О. Лебедева, Проектирование, строительство и эксплуатация подземных сооружений транспортного назначения. Перо, Москва, c. 177–183.
7. Танайно А.С., 2014. К проблеме тестирования горных пород на абразивность. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, № 6, с. 87–95.
8. Barzegari G., Uromeihy A., Zhao J., 2015. Parametric study of soil abrasivity for predicting wear issue in TBM tunneling projects. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 48, pp. 43–57, https://doi.org/10.1016/j.tust.2014.10.010.
9. Büchi E., Mathier J.-F., Wyss Ch., 1995. Gesteinsabrasivität — ein bedeutender kostenfaktor beim mechanischen abbau von fest- und lockergestein. Tunnel, Vol. 95, Heft 5, s. 38–44.
10. Jakobsen P.D., Bruland A., Dahl F., 2013. Review and assessment of the NTNU/SINTEF soil abrasion test (SATTM) for determination of abrasiveness of soil and soft ground. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 37, рр. 107–114, https://doi.org/10.1016/j.tust.2013.04.003.
11. Käsling H., Thiele I., Thuro K., 2007. Abrasivitätsuntersuchungen mit dem Cerchar-test — eine evaluierung der versuchsbedingungen. Veröffentlichungen von der 16 Tagung für Ingenieurgeologie, Bochum, Deutschland, 2007, s. 229–235.
12. Plinninger R.J., Kasling H., Spaun G., Thuro K., 2002. Versuchstechnische und geologische einflussfaktoren beim Cerchar-abrasivitatstest (CAI). Geotechnik, No. 25, ID 2.
13. Prieto L.A., 2012. The Cerchar abrasivity index’s applicability to dredging rock. Proceedings of the WEDA XXXII technical Conference and TAMU 43, San Antonio, Texas, USA, 2013, pp. 212–219.
14. Sebastiani D., Passeri D., Belardi G., Miliziano S., 2016. Experimental study of coarse soil properties influencing soil abrasivity. Procedia Engineering, Vol. 158, pр. 9–14, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.397.
15. Thuro K., 2002. Geologisch-felsmechanische grundlagen der gebirgslösung im tunnelbau. Münchner Geologische Hefte, B18,
s. 1–160.
16. Thuro K., Käsling H., 2009. Classification of the abrasiveness of soil and rock. Geomechanics and Tunnelling, Vol. 2, No. 2,
pp. 179–188, https://doi.org/10.1002/geot.200900012.
17. Thuro K., Plinninger R.J., 2003. Klassifizierung und prognose von leistungs- und verschleißparametern im tunnelbau. Taschenbuch für den Tunnelbau, Issue 27, s. 62–126.
18. Thuro K., Singer J., Käsling H., Bauer M., 2007. Determining abrasiveness with the LCPC test. Proceedings of the 1st Canada — U.S. rock mechanics Symposium, Vancouver, Canada, 2007, https://doi.org/10.1201/NOE0415444019-c103. URL:
https://www.researchgate.net/publication/285524169_Determining_abrasivity_with_the_LCPC_test (дата обращения: 15.11.2022).
19. West G., 1989. Technical note: rock abrasivity testing for tunneling. International Journal of Rock Mechanics, Mineral Sciences and Geomechanics, Vol. 26, No. 2, pp. 151–160.

МАЗЕИН С.В.*
Московский политехнический университет, г. Москва, Россия,
maz-bubn@mail.ru
Адрес: ул. Большая Семеновская, д. 38, г. Москва, 107023,
Россия
ВОЗНЕСЕНСКИЙ А.С.
НИТУ «МИСИС», г. Москва, Россия, al48@mail.ru
Адрес: Ленинский пр-кт, д. 4, г. Москва, 119991, Россия
ПРИЩЕПОВ В.В.
НИТУ «МИСИС», г. Москва, Россия, wowpolo96@mail.ru

The resource of the cutting tool is one of the main cost items for the mechanized method of shield tunneling of an extended tunnel using a tunnel boring machine (TBM). For the successful operation of the periodically replaced cutting tool of the machine in boulders and other abrasive rocks, preliminary and current testing of the abrasive properties of the enclosing rock range as part of engineering surveys is relevant. However, the problem of determining the abrasiveness of rocks is the incomparability of the corresponding results obtained by different experimental methods during engineering surveys, and the uncertainty of choosing the most effective and affordable method. The paper sets the task of comparing existing methods and the results obtained in the form of a qualitative classification of abrasiveness on samples of hard rocks. In order to predict the current wear of the cutting tool of a tunnel boring machine, the main features of four different methods for determining abrasiveness on hard rock samples are considered. Using the Cerchar abrasivity index CAI as a basic method, the accuracy of determining the RAI abrasiveness index was estimated — the result of multiplication of such indicators as the equivalent quartz content EQC and uniaxial compressive strength in the UCS rocks. On the basis of the existing scale of Russian abrasiveness coefficients developed at the Skochinsky Mining Institute, and the Cerchar classification extended in the USA, an 8-digit combined classification of CAI and Russian abrasiveness coefficients was compiled. After determining the average abrasiveness coefficient of Russian abrasiveness coefficients, the host rocks of the Chelyabinsk Metro tunnels were qualitatively classified as both low-abrasive rocks (porphyry and chloritized serpentinite) and rocks below average abrasiveness (granite-gneiss).

1. Baron L.I., Glatman L.B., Gubenkov E.K., 1968. Destruction of rocks by roadheaders. Vol. 1. Scientific and methodological foundations. Destruction with a cutter tool. Nauka, Moscow. (in Russian)
2. Vinnikov V.A., Davidenko B.Yu., Karkashadze G.G., 1990. Guidelines for laboratory work on the course “Physics of rocks”, in G.A. Yanchenko (ed.). Publishing house of the Moscow Mining Institute, Moscow. (in Russian)
3. Voznesenskii A.S., Mazein S.V., Danilov G.V., 2020. Influence of cutterhead shapes on penetration forces on tunnel boring machines with active pressure balance. Metro and Tunnels, No. 4, pp. 19–25. (in Russian)
4. Mazein S.V., 2009. Optimization of rotor equipment and the frequency of replacement of cutting tools during shield tunneling and other workings. Mining Journal, No. 10, pp. 84–86. (in Russian)
5. Mazein S.V., Voznesenskii A.S., Pankratenko A.N., 2017. Engineering survey and geotechnical problems for TBM tunneling under the urbanization. Geotechnics, No. 4, pp. 42–50. (in Russian)
6. Mazein S.V., Voznesenskii A.S., Prishchepov V., 2021. Soils abrasiveness forecast in the primary wear of cutting tools for the large-section tunnels construction. In collection of papers M.O. Lebedev (ed.), Design, construction and operation of underground transport facilities. Pero, Moscow, pp. 177–183. (in Russian)
7. Tanaino A.S., 2014. On the problem of testing rocks for abrasiveness. Fiziko-tekhnicheskiye Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopayemykh, No. 6, pp. 87–95. (in Russian)
8. Barzegari G., Uromeihy A., Zhao J., 2015. Parametric study of soil abrasivity for predicting wear issue in TBM tunneling projects. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 48, pp. 43–57, https://doi.org/10.1016/j.tust.2014.10.010.
9. Büchi E., Mathier J.-F., Wyss Ch., 1995. Gesteinsabrasivität – ein bedeutender kostenfaktor beim mechanischen abbau von fest- und lockergestein. Tunnel, Vol. 95, Heft 5, s. 38–44.
10. Jakobsen P.D., Bruland A., Dahl F., 2013. Review and assessment of the NTNU/SINTEF soil abrasion test (SATTM) for determination of abrasiveness of soil and soft ground. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 37, рр. 107–114, https://doi.org/10.1016/j.tust.2013.04.003.
11. Käsling H., Thiele I., Thuro K., 2007. Abrasivitätsuntersuchungen mit dem Cerchar-test – eine evaluierung der versuchsbedingungen. Veröffentlichungen von der 16 Tagung für Ingenieurgeologie, Bochum, Deutschland, 2007, s. 229–235.
12. Plinninger R.J., Kasling H., Spaun G., Thuro K., 2002. Versuchstechnische und geologische einflussfaktoren beim Cerchar-abrasivitatstest (CAI). Geotechnik, No. 25, ID 2.
13. Prieto L.A., 2012. The Cerchar abrasivity index’s applicability to dredging rock. Proceedings of the WEDA XXXII technical Conference and TAMU 43, San Antonio, Texas, USA, 2013, pp. 212–219.
14. Sebastiani D., Passeri D., Belardi G., Miliziano S., 2016. Experimental study of coarse soil properties influencing soil abrasivity. Procedia Engineering, Vol. 158, pр. 9–14, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.397.
15. Thuro K., 2002. Geologisch-felsmechanische grundlagen der gebirgslösung im tunnelbau. Münchner Geologische Hefte, B18,
s. 1–160.
16. Thuro K., Käsling H., 2009. Classification of the abrasiveness of soil and rock. Geomechanics and Tunnelling, Vol. 2, No. 2,
pp. 179–188, https://doi.org/10.1002/geot.200900012.
17. Thuro K., Plinninger R.J., 2003. Klassifizierung und prognose von leistungs- und verschleißparametern im tunnelbau. Taschenbuch für den Tunnelbau, Issue 27, s. 62–126.
18. Thuro K., Singer J., Käsling H., Bauer M., 2007. Determining abrasiveness with the LCPC test. Proceedings of the 1st Canada — U.S. rock mechanics Symposium, Vancouver, Canada, 2007, https://doi.org/10.1201/NOE0415444019-c103. URL: https://www.researchgate.net/publication/285524169_Determining_abrasivity_with_the_LCPC_test (accessed: 15 November 2022).
19. West G., 1989. Technical note: rock abrasivity testing for tunneling. International Journal of Rock Mechanics, Mineral Sciences and Geomechanics, Vol. 26, No. 2, pp. 151–160.

SERGEY V. MAZEIN*
Moscow Polytechnic University; Moscow, Russia; maz-bubn@mail.ru
Address: Bld. 38, Bolshaya Semenovskaya St., 107023, Moscow, Russiа
ALEKSANDR S. VOZNESENSKII
National University of Science and Technology “MISIS”; Moscow, Russia; al48@mail.ru
Address: Bld. 4, Leninskiy Ave, 119991, Moscow, Russiа
VLADIMIR V. PRISHCHEPOV
National University of Science and Technology “MISIS”; Moscow, Russia; wowpolo96@mail.ru