方俊杰

摘要：為了掌握竹溪隧道圍巖礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)對其工程性質(zhì)的影響。通過X-射線方法對竹溪隧道圍巖的礦物成分進(jìn)行了分析，應(yīng)用掃描電子顯微鏡觀察了相應(yīng)巖樣的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)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(dá)到64.3%。說明絹云母對其工程性質(zhì)起著重要的作用。而絹云母對巖石工程性質(zhì)起到不利的作用，施工中應(yīng)特別注意。泥質(zhì)板巖特有的板狀、板狀劈理構(gòu)造削弱了巖石的強(qiáng)度，并使泥質(zhì)板巖的力學(xué)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(yīng)引起足夠的重視。

關(guān)鍵詞：隧道工程；圍巖；礦物成分；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U459.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)的迅速發(fā)展，隧道工程數(shù)量越來越多。隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是隧道工程建設(shè)中的工程技術(shù)人員面臨的重要課題。隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到圍巖巖石礦物成份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等內(nèi)在因素的影響，同時受到地下水、初始地應(yīng)力、洞室內(nèi)溫度和巖石風(fēng)化程度的外在因素的作用而不同。此外，隧道斷面設(shè)計、支護(hù)結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)以及隧道施工開挖方法也對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有十分重要的作用。由于物質(zhì)組成的非均質(zhì)性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，巖石的力學(xué)特性表現(xiàn)出復(fù)雜特性，從而導(dǎo)致隧道圍巖及隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的復(fù)雜性。巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是決定巖石力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在因素，對巖石的力學(xué)特性影響較大。巖石的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不同，巖石的力學(xué)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(jié)構(gòu)、構(gòu)造研究分析，并建立巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與巖石力學(xué)特性之間的關(guān)系已經(jīng)成為獲得巖石力學(xué)特性的重要重途徑，為掌握巖石的工程性質(zhì)提供科學(xué)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(xué)性質(zhì)之間相互關(guān)系，建立了花崗巖了巖石力學(xué)性質(zhì)與其巖石礦物成分、巖石組構(gòu)的函數(shù)關(guān)系，并且認(rèn)為礦物組成是影響巖石力學(xué)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(jié)方式等組構(gòu)特征，并測試了相應(yīng)的力學(xué)特性，建立了砂巖的組構(gòu)特征與其力學(xué)性能的函數(shù)關(guān)系。但同時指出了其函數(shù)關(guān)系的局限性。孟召平應(yīng)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(xué)成分特特征，并完成了相應(yīng)的力學(xué)特性試驗特，從而建立了泥巖的力學(xué)性質(zhì)與其化學(xué)成分之間的定性定量關(guān)系。通過電子掃描顯微鏡（SEM）觀察了泥質(zhì)粉砂巖的黏土礦物及其微觀排列，得到了母巖的風(fēng)化特性和巖體內(nèi)部顆粒間的填充情況，對泥巖巖石的工程特性內(nèi)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(yīng)巖樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。分析了礦物成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)與巖石力學(xué)性能的定性關(guān)系。結(jié)果表明方解石含量增加巖石力學(xué)性能降低，細(xì)的石英晶體對空隙的填充有利于提高巖石的力學(xué)性能。何謹(jǐn)鋮通過60組巖樣研究了巖石抗壓強(qiáng)度與石英含量、水云母、方解石含量之間的關(guān)系，認(rèn)為工程中應(yīng)充分考慮石英含量、水云母、方解石含量對其力學(xué)性能的影響。針對地下洞室工程，閆長斌以南水北調(diào)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(jìn)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(zhì)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(xué)性質(zhì)具有十分重要的影響，但由于巖石中礦物成分和巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，針對具體實際工程開展研究則具有直接的工程應(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究較少，在這方面開展相應(yīng)的研究工作對于指導(dǎo)隧道設(shè)計與施工都具有重要的應(yīng)用價值。竹溪隧道工程地質(zhì)勘察表明，竹溪隧道圍以巖泥質(zhì)板巖為主，巖性節(jié)理、裂隙極其發(fā)育，風(fēng)化程度不均，包含了從強(qiáng)風(fēng)化到弱風(fēng)化不同風(fēng)化程度的巖石。圍巖力學(xué)性質(zhì)受地下水、覆蓋層厚度（最大值達(dá)到195.441m）、泥質(zhì)板巖結(jié)構(gòu)和礦物成分等多種因素影響而變得十分復(fù)雜。因此，結(jié)合竹溪隧道工程實際，開展礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)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(xué)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(jìn)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(zhì)巖，巖性以片巖、板巖、千枚巖為主，由于受地質(zhì)構(gòu)造的影響，地層巖性片理十分發(fā)育，片理產(chǎn)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(zhì)、方解石脈和石英脈。大部分隙面多見錳質(zhì)侵染。從工程地質(zhì)角度來講，巖體受區(qū)域構(gòu)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(dǎo)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(qiáng)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(zhì)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(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化泥質(zhì)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(zhì)性質(zhì)較差。

第②層，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)板巖：分布在隧道沿線，為進(jìn)出洞口的主要圍巖。鉆孔揭露最大厚度43.3m。多為軟質(zhì)巖，巖體極破碎，巖體工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

第③層，弱風(fēng)化泥質(zhì)板巖：該層為洞身段經(jīng)過的主要圍巖，巖體較破碎，屬較硬巖，巖體工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好。

2 礦物成分試驗與分析

2.1 制樣與試驗

泥質(zhì)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(jìn)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(zhì)板巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。圖7為現(xiàn)場泥質(zhì)板巖的現(xiàn)場取樣。圖8為泥質(zhì)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(jié)果。

2.2 測試結(jié)果分析

從表1可以看出，竹溪隧道泥質(zhì)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(dá)到64.3%，最小含量也達(dá)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(zhì)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(zhì)會具有較大的差別。同時，由于絹云母成分本身工程性質(zhì)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(dá)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(zhì)差，使得隧道圍巖的穩(wěn)定性變得不良。而泥質(zhì)板巖的礦物成分高嶺石平均含量約為9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)果來看，石英、長石的含量越多，巖石強(qiáng)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(qiáng)度的降低，對隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。根據(jù)區(qū)域變質(zhì)巖石礦物成份和結(jié)構(gòu)觀察可知：泥質(zhì)板巖中礦物成分絹云母是影響泥質(zhì)板巖風(fēng)化性質(zhì)的主要礦物成分。原因是絹云母呈片狀結(jié)構(gòu)，使含絹云母成分的泥質(zhì)板巖具有物理性質(zhì)變化大、具有透水、不均勻和結(jié)構(gòu)松散的特點，最終導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性變差，給隧道施工質(zhì)量控制和安全管理造成了很大的困難。

3 泥質(zhì)板巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析

3.1 巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析與試驗結(jié)果

粘土巖具有很強(qiáng)的親水特性，粘土巖的強(qiáng)度低、抗水性差，使得粘土巖的工程性質(zhì)不良。當(dāng)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(chǎn)生膨脹變形、強(qiáng)度軟化或巖體崩解，其工程性質(zhì)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(zhì)影響最為不利，含高嶺石粘土巖的工程性質(zhì)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(zhì)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(zhì)巖構(gòu)造和結(jié)構(gòu)，對巖石的工程特性也具有重要的影響。多數(shù)變質(zhì)巖都是在一定應(yīng)力作用下形成的，這就形成了變質(zhì)板巖所特有的板狀、板狀劈理構(gòu)造等，這種結(jié)構(gòu)、構(gòu)造減弱了巖石的強(qiáng)度，并使板巖的力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出各向異性及明顯的不均勻特性，造成其工程地質(zhì)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(chǎn)生塌方、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

綠泥石板巖、含云母的泥質(zhì)板巖等巖石強(qiáng)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(qiáng)度、抗剪強(qiáng)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(qiáng)度大幅度降低。當(dāng)巖石中含有較多石英、正長石成分時，其工程性質(zhì)變好。石英巖及大理巖等巖石，巖性相對均一，結(jié)構(gòu)致密，巖石堅硬，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的薄弱帶，也容易引起層間滑動，從而使巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)惡化。由地質(zhì)動力作用形成的巖石完整性差、裂隙發(fā)育、強(qiáng)度低，常形成滲水通道和滑動面。圖10為泥質(zhì)板巖內(nèi)部電子顯微微觀結(jié)構(gòu)。

3.2 試驗結(jié)果分析

從電鏡下顯微結(jié)果來看，泥質(zhì)板巖有明顯的板理或板狀劈理構(gòu)造，板理面由絹云母、綠泥石、高嶺石等礦物呈定向排列構(gòu)成，通過膠結(jié)作用將礦物顆粒相互連接到一起，膠結(jié)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(jié)物填充后把各種顆粒粘結(jié)到一起。

以普通電子顯微鏡觀察，礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造與組合方面：泥質(zhì)板巖呈現(xiàn)具變余結(jié)構(gòu)和斑點狀構(gòu)造。這是由于呈薄片狀的云母類礦物及綠泥石在巖石內(nèi)部的排列方向一致。從構(gòu)造方面來看，其內(nèi)部構(gòu)造形式為板劈理和變余層理構(gòu)造。泥質(zhì)膠結(jié)物將礦物顆粒粘結(jié)到一起，形狀為尖狀、細(xì)粒狀。云母類礦物多由泥質(zhì)礦物變質(zhì)重結(jié)晶后形成。泥質(zhì)礦物經(jīng)過變質(zhì)運動重結(jié)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(zhì)膠結(jié)的粘結(jié)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(zhì)礦物和泥質(zhì)膠結(jié)物相互混合，定向排列粘結(jié)形成了板理面、板狀劈裂間的粘結(jié)層，使泥質(zhì)板巖在宏觀上呈現(xiàn)出明顯的板理。膠結(jié)層內(nèi)部的膠結(jié)效果好、顆粒間粘結(jié)緊密，使得泥質(zhì)板巖膠結(jié)層粘結(jié)力高，膠結(jié)層內(nèi)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(zhì)微粒較多，膠結(jié)比較松散，單個孔隙較大，總的孔隙率也較大。

4 結(jié)論

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

（1）竹溪隧道泥質(zhì)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(dá)到64.3%，最小含量也達(dá)到22.4%。說明圍巖中礦物成分絹云母對圍巖的工程性質(zhì)具有決定作用。絹云母成分本身工程性質(zhì)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(yīng)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(zhì)會具有較大的差別。施工中應(yīng)該注意隧段圍巖礦物成分變化頻繁對圍巖巖性工程性質(zhì)的影響，注意巖性突然變化引起的圍巖塌方等災(zāi)害發(fā)生；

（3）泥質(zhì)板巖特有的板狀、板狀劈理構(gòu)造削弱了巖石的強(qiáng)度，并使泥質(zhì)板巖的力學(xué)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(yīng)引起足夠的重視：

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