竹溪隧道泥质板岩围岩矿物成分试验研究及微观结构观察

方俊杰

摘要：为了掌握竹溪隧道围岩矿物成分和微观结构对其工程性质的影响。通过X-射线方法对竹溪隧道围岩的矿物成分进行了分析，应用扫描电子显微镜观察了相应岩样的内部微观结构。结果表明：竹溪隧道围岩矿物成分以绢云母、石英、绿泥石为主，夹少量高岭石和长石。其中绢云母成分最大含量达到64.3%。说明绢云母对其工程性质起着重要的作用。而绢云母对岩石工程性质起到不利的作用，施工中应特别注意。泥质板岩特有的板状、板状劈理构造削弱了岩石的强度，并使泥质板岩的力学特性表现为各项异性及明显的不均匀特性。施工中对于断裂带或板理劈理发育区应引起足够的重视。

关键词：隧道工程；围岩；矿物成分；微观结构

中图分类号：U459.4 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0055-04

随着我国山区高速公路建设的迅速发展，隧道工程数量越来越多。隧道结构的稳定性是隧道工程建设中的工程技术人员面临的重要课题。隧道结构稳定性受到围岩岩石矿物成份、结构、构造等内在因素的影响，同时受到地下水、初始地应力、洞室内温度和岩石风化程度的外在因素的作用而不同。此外，隧道断面设计、支护结构型式和参数以及隧道施工开挖方法也对隧道结构的稳定性具有十分重要的作用。由于物质组成的非均质性和结构的复杂性，岩石的力学特性表现出复杂特性，从而导致隧道围岩及隧道结构稳定性的复杂性。岩石的矿物成分、结构和构造是决定岩石力学性质的内在因素，对岩石的力学特性影响较大。岩石的组成、结构、构造不同，岩石的力学特性表现出明显的差异。因此，通过，通过对岩石矿物成分、结构、构造研究分析，并建立岩石矿物成分、结构、构造与岩石力学特性之间的关系已经成为获得岩石力学特性的重要重途径，为掌握岩石的工程性质提供科学依据。在这方面，Merri-am、A.Tugrul和I.H.Zarif先后研究了花岗岩类矿物成分与其力学性质之间相互关系，建立了花岗岩了岩石力学性质与其岩石矿物成分、岩石组构的函数关系，并且认为矿物组成是影响岩石力学特性的最主要因素之一。候兰杰通过偏光显微镜研究了岩屑砂岩和石英砂岩的矿物成分、颗粒大小及胶结方式等组构特征，并测试了相应的力学特性，建立了砂岩的组构特征与其力学性能的函数关系。但同时指出了其函数关系的局限性。孟召平应用X衍射、荧光光谱分析方法研究了淮南新集井田煤系泥岩某煤系泥岩的矿物组成和化学成分特特征，并完成了相应的力学特性试验特，从而建立了泥岩的力学性质与其化学成分之间的定性定量关系。通过电子扫描显微镜（SEM）观察了泥质粉砂岩的黏土矿物及其微观排列，得到了母岩的风化特性和岩体内部颗粒间的填充情况，对泥岩岩石的工程特性内在因素做出了解释。同时矿物成分分析表明岩石中的黏土矿物是影响其工程特性的主要因素。赵斌采用x射线衍射方法，测定的岩样的矿物成分，使用扫描电镜扫描的相应岩样的细观结构。分析了矿物成分和细观结构与岩石力学性能的定性关系。结果表明方解石含量增加岩石力学性能降低，细的石英晶体对空隙的填充有利于提高岩石的力学性能。何谨铖通过60组岩样研究了岩石抗压强度与石英含量、水云母、方解石含量之间的关系，认为工程中应充分考虑石英含量、水云母、方解石含量对其力学性能的影响。针对地下洞室工程，闫长斌以南水北调工程为例，通过三条河流124块代表性岩样研究岩石中石英含量变化对TBM施工的影响。韩红红采用X射线仪对敦格铁路金山隧道围岩矿物成分进行了试验检测，并分析研究了矿物成分与隧道围岩工程性质的影响，为隧道施工提供了必要的参考依据。综上所述，岩石的矿物成分对岩石力学性质具有十分重要的影响，但由于岩石中矿物成分和岩石结构的复杂性，针对具体实际工程开展研究则具有直接的工程应用价值。尤其是目前针对隧道工程中围岩矿物成分和微观结构的应用研究较少，在这方面开展相应的研究工作对于指导隧道设计与施工都具有重要的应用价值。竹溪隧道工程地质勘察表明，竹溪隧道围以岩泥质板岩为主，岩性节理、裂隙极其发育，风化程度不均，包含了从强风化到弱风化不同风化程度的岩石。围岩力学性质受地下水、覆盖层厚度（最大值达到195.441m）、泥质板岩结构和矿物成分等多种因素影响而变得十分复杂。因此，结合竹溪隧道工程实际，开展矿物成分和微观结构方面的研究，以期为隧道施工及隧道塌方处治工作提供科学依据。

1 工程概况

竹溪隧道隧为山岭隧道，隧道穿过3座山体，全长2480m。图1、图2分别为竹溪隧道的进出口施工现场。

隧址区域岩层主要为元古界一下古界的变质岩，岩性以片岩、板岩、千枚岩为主，由于受地质构造的影响，地层岩性片理十分发育，片理产状分布为30-355°∠7-88°之间。同时岩体节理裂隙十分发育，主要有2组节理。节理以闭合-微张为主，裂面较平直，部分节理面充填泥质、方解石脉和石英脉。大部分隙面多见锰质侵染。从工程地质角度来讲，岩体受区域构造环境的影响蚀变后，大量片状矿物和晶粒矿物定向分布，导致岩层具各相异性，形成片状剥离面，片理化发育，形成韧性剪切带。强度、稳定性降低以及富水、易崩解、易破碎、易蠕变成为其显著特征，如图3、图4、图5和图6为竹溪隧道不同断面掌子面围岩状况。

地质勘察表明：隧址区地层表层为碎石土和角砾，分布厚度不均。基岩为强风化、弱风化泥质板岩。

第①层，碎石土：该层分布于隧道沿线表层，出口段为角砾土，工程地质性质较差。

第②层，强风化泥质板岩：分布在隧道沿线，为进出洞口的主要围岩。钻孔揭露最大厚度43.3m。多为软质岩，岩体极破碎，岩体工程地质性质较差。

第③层，弱风化泥质板岩：该层为洞身段经过的主要围岩，岩体较破碎，属较硬岩，岩体工程地质性质相对较好。

2 矿物成分试验与分析

2.1 制样与试验

泥质板岩试样取自竹溪隧道施工现场，共计8组。试样磨成粉末，采用德国Bruker-axs公司D&ADVANCE X-射线仪进行矿物成分分析，工作电压为40KV，电流40mA，扫描范围为5°-65°，扫描速度为0.02°/step。利用电子显微镜对泥质板岩的微观结构进行观察。图7为现场泥质板岩的现场取样。图8为泥质板岩矿物成分分析的D&ADVANCE X-射线仪。图9为部分试样的衍射图谱。表1为晶体相矿物成分半定量分析结果。

2.2 测试结果分析

从表1可以看出，竹溪隧道泥质板岩板岩矿物成分以绢云母、绿泥石、石英为主，夹少量高岭石、长石。矿物成分绢云母含量极大，最大含量达到64.3%，最小含量也达到22.4%。样品4中绢云母最小含量22.4%超过矿物成分平均含量值20%的12%。说明围岩中矿物成分绢云母对围岩的工程性质具有决定作用。而在不同的样品中，由于矿物成分差异性大，围岩的工程性质会具有较大的差别。同时，由于绢云母成分本身工程性质不良，大量的绢云母矿物使得围岩稳定性变差。其次，绿泥石含量最大达到25.7%，最小含量为15.4%。绿泥石的平均含量为19.3%。其平均值非常接近石英的含量平均值20.1%，说明绿泥石对围岩的稳定性具有重要影响。同样，绿泥石含量也存在不均匀性，以及绿泥石本身工程性质差，使得隧道围岩的稳定性变得不良。而泥质板岩的矿物成分高岭石平均含量约为9%，远远大于长石含量的平均值5%，而高岭石对围岩的稳定性是不利的，说明竹溪隧道岩石矿物成分中高岭石的影响不能忽视。矿物成分中，石英、长石对围岩的稳定性的作用是有利，但其含量较低。

从矿物成分分析结果来看，石英、长石的含量越多，岩石强度越高，围岩的稳定性越好；而绢云母、绿泥石、高岭石含量增加会引起岩石强度的降低，对隧道围岩的稳定性不利。根据区域变质岩石矿物成份和结构观察可知：泥质板岩中矿物成分绢云母是影响泥质板岩风化性质的主要矿物成分。原因是绢云母呈片状结构，使含绢云母成分的泥质板岩具有物理性质变化大、具有透水、不均匀和结构松散的特点，最终导致围岩稳定性变差，给隧道施工质量控制和安全管理造成了很大的困难。

3 泥质板岩内部微观结构观察与分析

3.1 岩石内部微观结构结构分析与试验结果

粘土岩具有很强的亲水特性，粘土岩的强度低、抗水性差，使得粘土岩的工程性质不良。当粘土岩节理、裂隙比较发育时，粘土岩一旦受到水的浸泡，常常产生膨胀变形、强度软化或岩体崩解，其工程性质快速劣化。在常见的三类粘土矿物中，蒙脱石对粘土岩的工程性质影响最为不利，含高岭石粘土岩的工程性质相对较好，而含伊利石的粘土岩的介于二者中间。此外，粘土岩节理、裂隙发育程度对其工程性质也具有明显的影响，粘土岩中节理、裂隙发育很少时，它是水的良好隔离层。变质岩构造和结构，对岩石的工程特性也具有重要的影响。多数变质岩都是在一定应力作用下形成的，这就形成了变质板岩所特有的板状、板状劈理构造等，这种结构、构造减弱了岩石的强度，并使板岩的力学性质呈现出各向异性及明显的不均匀特性，造成其工程地质条件不良。如在断裂带或板理劈理发育的板岩区很容易产生塌方、滑坡等地质灾害。

绿泥石板岩、含云母的泥质板岩等岩石强度降低，抗水性变差。特别是沿这些岩石的板理或板理劈理面，板岩的抗拉强度、抗剪强度很低，遇水容易滑动，沿板理或板理劈理面容易剥落。随着板理或板理劈理面的发育，以及随着板岩中绿泥石、云母等含量的增加，板岩的强度大幅度降低。当岩石中含有较多石英、正长石成分时，其工程性质变好。石英岩及大理岩等岩石，岩性相对均一，结构致密，岩石坚硬，抗压强度和抗拉强度等较高，岩体的稳定性较好。但断裂带和裂隙的发育也会对坚硬岩石的稳定性产生影响，其断裂带和裂隙常常形成裂隙含水带和地下水流动或排泄通道。它们是岩体结构的薄弱带，也容易引起层间滑动，从而使岩体的工程地质性质恶化。由地质动力作用形成的岩石完整性差、裂隙发育、强度低，常形成渗水通道和滑动面。图10为泥质板岩内部电子显微微观结构。

3.2 试验结果分析

从电镜下显微结果来看，泥质板岩有明显的板理或板状劈理构造，板理面由绢云母、绿泥石、高岭石等矿物呈定向排列构成，通过胶结作用将矿物颗粒相互连接到一起，胶结物的组成成分为绿泥石、高岭石、绢云母等。绿泥石尺寸相对较大，颗粒之间会有孔隙。这些孔隙里主要分布长石、石英等矿物，一般不存在于板理面附近。所有颗粒间的孔隙由胶结物填充后把各种颗粒粘结到一起。

以普通电子显微镜观察，矿物的内部结构、构造与组合方面：泥质板岩呈现具变余结构和斑点状构造。这是由于呈薄片状的云母类矿物及绿泥石在岩石内部的排列方向一致。从构造方面来看，其内部构造形式为板劈理和变余层理构造。泥质胶结物将矿物颗粒粘结到一起，形状为尖状、细粒状。云母类矿物多由泥质矿物变质重结晶后形成。泥质矿物经过变质运动重结晶形成绿泥石等，绿泥石多呈长条状、条带状，其平行排列使板得板岩呈现出密集的板状劈理，其层理、板状理劈裂等大体一致。层理、板理间泥质胶结的粘结力不高。

在扫描电子显微镜下观察绿泥石的矿物形态，发现这些矿物、以及这些矿物的变质矿物和泥质胶结物相互混合，定向排列粘结形成了板理面、板状劈裂间的粘结层，使泥质板岩在宏观上呈现出明显的板理。胶结层内部的胶结效果好、颗粒间粘结紧密，使得泥质板岩胶结层粘结力高，胶结层内部无明显大的孔隙。在板理面附近，大的矿物颗粒相对较少，泥质微粒较多，胶结比较松散，单个孔隙较大，总的孔隙率也较大。

4 结论

通过X衍射、电子扫描电镜对竹溪隧道泥质板岩的矿物成分试验分析和微观架构观察，得到以下结论：

（1）竹溪隧道泥质板岩板岩矿物成分以绢云母、绿泥石、石英为主，夹少量高岭石、长石。矿物成分绢云母含量极大，最大含量达到64.3%，最小含量也达到22.4%。说明围岩中矿物成分绢云母对围岩的工程性质具有决定作用。绢云母成分本身工程性质不良，大量的绢云母矿物使得围岩稳定性变差。施工中对于绢云母含量大的围岩段应该给于足够的重视；

（2）在不同的样品中，矿物成分差异性大，围岩的工程性质会具有较大的差别。施工中应该注意隧段围岩矿物成分变化频繁对围岩岩性工程性质的影响，注意岩性突然变化引起的围岩塌方等灾害发生；

（3）泥质板岩特有的板状、板状劈理构造削弱了岩石的强度，并使泥质板岩的力学特性表现为各项异性及明显的不均匀特性。施工中对于断裂带或板理劈理发育区应引起足够的重视：

（4）泥质板岩围岩矿物颗粒之间胶结物也是由绢云母、绿泥石、石英、高岭石、长石等构成。其内部构造形式为板劈理和变余层理构造。显微镜下试样表现出明显的板劈理构造和变余层理构造，物间为泥质胶结。层理、板理间的绢云母、绿泥石、高岭石、长石胶结物粘结性不高，对围岩的稳定性极为不利，施工中也应给于足够的重视。