竹溪隧道泥質板巖圍巖礦物成分試驗研究及微觀結構觀察

方俊杰

摘要：為了掌握竹溪隧道圍巖礦物成分和微觀結構對其工程性質的影響。通過X-射線方法對竹溪隧道圍巖的礦物成分進行了分析，應用掃描電子顯微鏡觀察了相應巖樣的內部微觀結構。結果表明：竹溪隧道圍巖礦物成分以絹云母、石英、綠泥石為主，夾少量高嶺石和長石。其中絹云母成分最大含量達到64.3%。說明絹云母對其工程性質起著重要的作用。而絹云母對巖石工程性質起到不利的作用，施工中應特別注意。泥質板巖特有的板狀、板狀劈理構造削弱了巖石的強度，并使泥質板巖的力學特性表現(xiàn)為各項異性及明顯的不均勻特性。施工中對于斷裂帶或板理劈理發(fā)育區(qū)應引起足夠的重視。

關鍵詞：隧道工程；圍巖；礦物成分；微觀結構

中圖分類號：U459.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0055-04

隨著我國山區(qū)高速公路建設的迅速發(fā)展，隧道工程數(shù)量越來越多。隧道結構的穩(wěn)定性是隧道工程建設中的工程技術人員面臨的重要課題。隧道結構穩(wěn)定性受到圍巖巖石礦物成份、結構、構造等內在因素的影響，同時受到地下水、初始地應力、洞室內溫度和巖石風化程度的外在因素的作用而不同。此外，隧道斷面設計、支護結構型式和參數(shù)以及隧道施工開挖方法也對隧道結構的穩(wěn)定性具有十分重要的作用。由于物質組成的非均質性和結構的復雜性，巖石的力學特性表現(xiàn)出復雜特性，從而導致隧道圍巖及隧道結構穩(wěn)定性的復雜性。巖石的礦物成分、結構和構造是決定巖石力學性質的內在因素，對巖石的力學特性影響較大。巖石的組成、結構、構造不同，巖石的力學特性表現(xiàn)出明顯的差異。因此，通過，通過對巖石礦物成分、結構、構造研究分析，并建立巖石礦物成分、結構、構造與巖石力學特性之間的關系已經成為獲得巖石力學特性的重要重途徑，為掌握巖石的工程性質提供科學依據(jù)。在這方面，Merri-am、A.Tugrul和I.H.Zarif先后研究了花崗巖類礦物成分與其力學性質之間相互關系，建立了花崗巖了巖石力學性質與其巖石礦物成分、巖石組構的函數(shù)關系，并且認為礦物組成是影響巖石力學特性的最主要因素之一。候蘭杰通過偏光顯微鏡研究了巖屑砂巖和石英砂巖的礦物成分、顆粒大小及膠結方式等組構特征，并測試了相應的力學特性，建立了砂巖的組構特征與其力學性能的函數(shù)關系。但同時指出了其函數(shù)關系的局限性。孟召平應用X衍射、熒光光譜分析方法研究了淮南新集井田煤系泥巖某煤系泥巖的礦物組成和化學成分特特征，并完成了相應的力學特性試驗特，從而建立了泥巖的力學性質與其化學成分之間的定性定量關系。通過電子掃描顯微鏡（SEM）觀察了泥質粉砂巖的黏土礦物及其微觀排列，得到了母巖的風化特性和巖體內部顆粒間的填充情況，對泥巖巖石的工程特性內在因素做出了解釋。同時礦物成分分析表明巖石中的黏土礦物是影響其工程特性的主要因素。趙斌采用x射線衍射方法，測定的巖樣的礦物成分，使用掃描電鏡掃描的相應巖樣的細觀結構。分析了礦物成分和細觀結構與巖石力學性能的定性關系。結果表明方解石含量增加巖石力學性能降低，細的石英晶體對空隙的填充有利于提高巖石的力學性能。何謹鋮通過60組巖樣研究了巖石抗壓強度與石英含量、水云母、方解石含量之間的關系，認為工程中應充分考慮石英含量、水云母、方解石含量對其力學性能的影響。針對地下洞室工程，閆長斌以南水北調工程為例，通過三條河流124塊代表性巖樣研究巖石中石英含量變化對TBM施工的影響。韓紅紅采用X射線儀對敦格鐵路金山隧道圍巖礦物成分進行了試驗檢測，并分析研究了礦物成分與隧道圍巖工程性質的影響，為隧道施工提供了必要的參考依據(jù)。綜上所述，巖石的礦物成分對巖石力學性質具有十分重要的影響，但由于巖石中礦物成分和巖石結構的復雜性，針對具體實際工程開展研究則具有直接的工程應用價值。尤其是目前針對隧道工程中圍巖礦物成分和微觀結構的應用研究較少，在這方面開展相應的研究工作對于指導隧道設計與施工都具有重要的應用價值。竹溪隧道工程地質勘察表明，竹溪隧道圍以巖泥質板巖為主，巖性節(jié)理、裂隙極其發(fā)育，風化程度不均，包含了從強風化到弱風化不同風化程度的巖石。圍巖力學性質受地下水、覆蓋層厚度（最大值達到195.441m）、泥質板巖結構和礦物成分等多種因素影響而變得十分復雜。因此，結合竹溪隧道工程實際，開展礦物成分和微觀結構方面的研究，以期為隧道施工及隧道塌方處治工作提供科學依據(jù)。

1 工程概況

竹溪隧道隧為山嶺隧道，隧道穿過3座山體，全長2480m。圖1、圖2分別為竹溪隧道的進出口施工現(xiàn)場。

隧址區(qū)域巖層主要為元古界一下古界的變質巖，巖性以片巖、板巖、千枚巖為主，由于受地質構造的影響，地層巖性片理十分發(fā)育，片理產狀分布為30-355°∠7-88°之間。同時巖體節(jié)理裂隙十分發(fā)育，主要有2組節(jié)理。節(jié)理以閉合-微張為主，裂面較平直，部分節(jié)理面充填泥質、方解石脈和石英脈。大部分隙面多見錳質侵染。從工程地質角度來講，巖體受區(qū)域構造環(huán)境的影響蝕變后，大量片狀礦物和晶粒礦物定向分布，導致巖層具各相異性，形成片狀剝離面，片理化發(fā)育，形成韌性剪切帶。強度、穩(wěn)定性降低以及富水、易崩解、易破碎、易蠕變成為其顯著特征，如圖3、圖4、圖5和圖6為竹溪隧道不同斷面掌子面圍巖狀況。

地質勘察表明：隧址區(qū)地層表層為碎石土和角礫，分布厚度不均。基巖為強風化、弱風化泥質板巖。

第①層，碎石土：該層分布于隧道沿線表層，出口段為角礫土，工程地質性質較差。

第②層，強風化泥質板巖：分布在隧道沿線，為進出洞口的主要圍巖。鉆孔揭露最大厚度43.3m。多為軟質巖，巖體極破碎，巖體工程地質性質較差。

第③層，弱風化泥質板巖：該層為洞身段經過的主要圍巖，巖體較破碎，屬較硬巖，巖體工程地質性質相對較好。

2 礦物成分試驗與分析

2.1 制樣與試驗

泥質板巖試樣取自竹溪隧道施工現(xiàn)場，共計8組。試樣磨成粉末，采用德國Bruker-axs公司D&ADVANCE X-射線儀進行礦物成分分析，工作電壓為40KV，電流40mA，掃描范圍為5°-65°，掃描速度為0.02°/step。利用電子顯微鏡對泥質板巖的微觀結構進行觀察。圖7為現(xiàn)場泥質板巖的現(xiàn)場取樣。圖8為泥質板巖礦物成分分析的D&ADVANCE X-射線儀。圖9為部分試樣的衍射圖譜。表1為晶體相礦物成分半定量分析結果。

2.2 測試結果分析

從表1可以看出，竹溪隧道泥質板巖板巖礦物成分以絹云母、綠泥石、石英為主，夾少量高嶺石、長石。礦物成分絹云母含量極大，最大含量達到64.3%，最小含量也達到22.4%。樣品4中絹云母最小含量22.4%超過礦物成分平均含量值20%的12%。說明圍巖中礦物成分絹云母對圍巖的工程性質具有決定作用。而在不同的樣品中，由于礦物成分差異性大，圍巖的工程性質會具有較大的差別。同時，由于絹云母成分本身工程性質不良，大量的絹云母礦物使得圍巖穩(wěn)定性變差。其次，綠泥石含量最大達到25.7%，最小含量為15.4%。綠泥石的平均含量為19.3%。其平均值非常接近石英的含量平均值20.1%，說明綠泥石對圍巖的穩(wěn)定性具有重要影響。同樣，綠泥石含量也存在不均勻性，以及綠泥石本身工程性質差，使得隧道圍巖的穩(wěn)定性變得不良。而泥質板巖的礦物成分高嶺石平均含量約為9%，遠遠大于長石含量的平均值5%，而高嶺石對圍巖的穩(wěn)定性是不利的，說明竹溪隧道巖石礦物成分中高嶺石的影響不能忽視。礦物成分中，石英、長石對圍巖的穩(wěn)定性的作用是有利，但其含量較低。

從礦物成分分析結果來看，石英、長石的含量越多，巖石強度越高，圍巖的穩(wěn)定性越好；而絹云母、綠泥石、高嶺石含量增加會引起巖石強度的降低，對隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。根據(jù)區(qū)域變質巖石礦物成份和結構觀察可知：泥質板巖中礦物成分絹云母是影響泥質板巖風化性質的主要礦物成分。原因是絹云母呈片狀結構，使含絹云母成分的泥質板巖具有物理性質變化大、具有透水、不均勻和結構松散的特點，最終導致圍巖穩(wěn)定性變差，給隧道施工質量控制和安全管理造成了很大的困難。

3 泥質板巖內部微觀結構觀察與分析

3.1 巖石內部微觀結構結構分析與試驗結果

粘土巖具有很強的親水特性，粘土巖的強度低、抗水性差，使得粘土巖的工程性質不良。當粘土巖節(jié)理、裂隙比較發(fā)育時，粘土巖一旦受到水的浸泡，常常產生膨脹變形、強度軟化或巖體崩解，其工程性質快速劣化。在常見的三類粘土礦物中，蒙脫石對粘土巖的工程性質影響最為不利，含高嶺石粘土巖的工程性質相對較好，而含伊利石的粘土巖的介于二者中間。此外，粘土巖節(jié)理、裂隙發(fā)育程度對其工程性質也具有明顯的影響，粘土巖中節(jié)理、裂隙發(fā)育很少時，它是水的良好隔離層。變質巖構造和結構，對巖石的工程特性也具有重要的影響。多數(shù)變質巖都是在一定應力作用下形成的，這就形成了變質板巖所特有的板狀、板狀劈理構造等，這種結構、構造減弱了巖石的強度，并使板巖的力學性質呈現(xiàn)出各向異性及明顯的不均勻特性，造成其工程地質條件不良。如在斷裂帶或板理劈理發(fā)育的板巖區(qū)很容易產生塌方、滑坡等地質災害。

綠泥石板巖、含云母的泥質板巖等巖石強度降低，抗水性變差。特別是沿這些巖石的板理或板理劈理面，板巖的抗拉強度、抗剪強度很低，遇水容易滑動，沿板理或板理劈理面容易剝落。隨著板理或板理劈理面的發(fā)育，以及隨著板巖中綠泥石、云母等含量的增加，板巖的強度大幅度降低。當巖石中含有較多石英、正長石成分時，其工程性質變好。石英巖及大理巖等巖石，巖性相對均一，結構致密，巖石堅硬，抗壓強度和抗拉強度等較高，巖體的穩(wěn)定性較好。但斷裂帶和裂隙的發(fā)育也會對堅硬巖石的穩(wěn)定性產生影響，其斷裂帶和裂隙常常形成裂隙含水帶和地下水流動或排泄通道。它們是巖體結構的薄弱帶，也容易引起層間滑動，從而使巖體的工程地質性質惡化。由地質動力作用形成的巖石完整性差、裂隙發(fā)育、強度低，常形成滲水通道和滑動面。圖10為泥質板巖內部電子顯微微觀結構。

3.2 試驗結果分析

從電鏡下顯微結果來看，泥質板巖有明顯的板理或板狀劈理構造，板理面由絹云母、綠泥石、高嶺石等礦物呈定向排列構成，通過膠結作用將礦物顆粒相互連接到一起，膠結物的組成成分為綠泥石、高嶺石、絹云母等。綠泥石尺寸相對較大，顆粒之間會有孔隙。這些孔隙里主要分布長石、石英等礦物，一般不存在于板理面附近。所有顆粒間的孔隙由膠結物填充后把各種顆粒粘結到一起。

以普通電子顯微鏡觀察，礦物的內部結構、構造與組合方面：泥質板巖呈現(xiàn)具變余結構和斑點狀構造。這是由于呈薄片狀的云母類礦物及綠泥石在巖石內部的排列方向一致。從構造方面來看，其內部構造形式為板劈理和變余層理構造。泥質膠結物將礦物顆粒粘結到一起，形狀為尖狀、細粒狀。云母類礦物多由泥質礦物變質重結晶后形成。泥質礦物經過變質運動重結晶形成綠泥石等，綠泥石多呈長條狀、條帶狀，其平行排列使板得板巖呈現(xiàn)出密集的板狀劈理，其層理、板狀理劈裂等大體一致。層理、板理間泥質膠結的粘結力不高。

在掃描電子顯微鏡下觀察綠泥石的礦物形態(tài)，發(fā)現(xiàn)這些礦物、以及這些礦物的變質礦物和泥質膠結物相互混合，定向排列粘結形成了板理面、板狀劈裂間的粘結層，使泥質板巖在宏觀上呈現(xiàn)出明顯的板理。膠結層內部的膠結效果好、顆粒間粘結緊密，使得泥質板巖膠結層粘結力高，膠結層內部無明顯大的孔隙。在板理面附近，大的礦物顆粒相對較少，泥質微粒較多，膠結比較松散，單個孔隙較大，總的孔隙率也較大。

4 結論

通過X衍射、電子掃描電鏡對竹溪隧道泥質板巖的礦物成分試驗分析和微觀架構觀察，得到以下結論：

（1）竹溪隧道泥質板巖板巖礦物成分以絹云母、綠泥石、石英為主，夾少量高嶺石、長石。礦物成分絹云母含量極大，最大含量達到64.3%，最小含量也達到22.4%。說明圍巖中礦物成分絹云母對圍巖的工程性質具有決定作用。絹云母成分本身工程性質不良，大量的絹云母礦物使得圍巖穩(wěn)定性變差。施工中對于絹云母含量大的圍巖段應該給于足夠的重視；

（2）在不同的樣品中，礦物成分差異性大，圍巖的工程性質會具有較大的差別。施工中應該注意隧段圍巖礦物成分變化頻繁對圍巖巖性工程性質的影響，注意巖性突然變化引起的圍巖塌方等災害發(fā)生；

（3）泥質板巖特有的板狀、板狀劈理構造削弱了巖石的強度，并使泥質板巖的力學特性表現(xiàn)為各項異性及明顯的不均勻特性。施工中對于斷裂帶或板理劈理發(fā)育區(qū)應引起足夠的重視：

（4）泥質板巖圍巖礦物顆粒之間膠結物也是由絹云母、綠泥石、石英、高嶺石、長石等構成。其內部構造形式為板劈理和變余層理構造。顯微鏡下試樣表現(xiàn)出明顯的板劈理構造和變余層理構造，物間為泥質膠結。層理、板理間的絹云母、綠泥石、高嶺石、長石膠結物粘結性不高，對圍巖的穩(wěn)定性極為不利，施工中也應給于足夠的重視。