宝兰客专兰州段泥岩软化特性的微观研究

张晋东，梁庆国，樊纯坛

(1.土木工程国家级实验教学示范中心(兰州交通大学)，兰州 730070；2.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州 730070；3.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

西部大开发以来，公路隧道与铁路隧道工程的建设，掀起了黄土泥岩软化、泥化问题的研究浪潮。在西北富水地区隧道的开挖过程中，由于支护结构无法解除水对泥岩的作用，不断揭露出泥岩遇水软化导致围岩的整体性下降、岩石强度不高等特征。现有的研究已证明[1-4]：软弱围岩强度大幅度降低的原因不仅仅是由力学效应引起的，而且是由于复杂的化学作用和腐蚀过程造成的[5-7]，杨建林等[8]的研究进一步表明，材料宏观力学性能变化的根本是内部微观构造发生了变化。所以，泥岩遇水软化的微观分析应该引起重视。尤其是对于富水地区的黄土泥岩更是如此。现今阶段，关于软岩微观特性的研究主要集中于对砂岩、页岩及煤系泥岩微观构造的变化上。如：冯文凯等[9]对常见的砂、泥岩进行电镜扫描试验，从微观结构上充分解释了其抗冲击特性及波的传播特性；谭罗荣[10]探讨了黏土岩崩解及泥化的物理力学原理，涉及到少许微观结构分析；黄宏伟，车平[11]研究了煤系泥岩软化时微观结构的变化特征；范一林、李青云等[12]研究了水布垭页岩遇水软化的原因；刘镇，周翠英等[13]针对华南地域分布的红色砂岩及炭质泥岩等软岩，设计饱水试验，揭示了其软化的变化规律及微观结构演化的临界判据。在已有的成果中，对于西北地区黄土地层泥岩微观的研究还比较少。

为了研究水对黄土地层泥岩软化的作用原理，以宝兰客专上庄隧道为背景，基于该工程中泥岩遇水软化后所产生的一系列工程问题，利用衍射仪、扫描镜等设备，对该种泥岩进行了测试，分析了黄土地层泥岩的地球化学成分，探讨了其在软化崩解前、中、后期微观构造的变化，并进行了室内物理水理性质试验，进一步对该泥岩的膨胀性进行判别，为在黄土泥岩地层进行安全高效建设提供了理论依据。

1 工程概况

宝兰客专上庄隧道位于兰州市榆中县，为单洞双线隧道，最大埋深203 m，地处黄土梁峁区，沟深坡陡，相对高差200～250 m，隧道围岩以Ⅳ～Ⅴ级为主，Ⅴ级围岩占总长的71%，Ⅳ级围岩占总长的29%。隧道洞口如图1所示。

图1 上庄隧道洞口

图2 仰拱积水

上庄隧道洞身通过的地层主要为砂质黄土、黏质黄土及泥岩。由于隧道洞身开挖穿越的地层含水量丰富，属于富水区，如图2所示。泥岩呈现出泥质构造和块状构造，局部微斜层理，成岩较差，干缩，遇水极易软化。本文试验中所取土样即为隧道内黄土地层中的泥岩。

2 泥岩地球化学成分和矿物成分试验

将从隧道现场掌子面取回来的较为完整的泥岩试样，进行化学成分和矿物成分测试。

2.1 地球化学成分试验

化学成分测试是在中科院地质与地球物理研究所完成的，采用的日本理学公司生产的X-射线荧光光谱仪，仪器型号为3080 E3，依据《硅酸盐岩石化学分析方法之X射线荧光光谱法测定主、次元素量》(GB/T 14506.28—2010)[14]所测的化学成分和微量元素如表1所示，为了更加直观显示各化学成分的含量，根据表1所示数值作出了各化学成分含量柱状图，如图3及图4所示。

表1 泥岩化学成分和微量元素

图3 泥岩化学成分柱状图

图4 泥岩微量元素柱状图

由表1及图3能够看出泥岩中的氧化物主要为SiO2、Al2O3及CaO，含量分别为55.59%、13.26%及7.69%，这3种合计占泥岩化学成分的76.54%，说明上庄隧道围岩主要化学成分是SiO2、Al2O3及CaO；而对于微量元素，由图4可知，泥岩中微量元素主要为P、Ba及Mn，含量分别为632 μg/g、603.6 μg/g及558.6 μg/g，3种微量元素合计一共为1 794.2 μg/g，占总微量元素的67.9%。

2.2 矿物成分试验

矿物成分测试在中科院地质与地球物理研究所完成，采用日本生产的D/Max-3B型X-射线衍射仪，测试条件为：Cu靶，步进连续扫描，扫描速率为4°/min。依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分析方法》(SY/T 5163-2010)[15]。测试结果分别见表2和图5。

表2 泥岩矿物成分测试结果

图5 泥岩矿物成分柱状图

由表2和图5可以看出，上庄隧道泥岩中的矿物成分主要为石英、方解石及斜长石，含量分别为35.7%、23.5%及17.8%，占总矿物含量的77%，伊利石是含量最高的黏土矿物，约为6.6%，这与化学成分分析的结果相吻合。高岭石、伊利石和蒙脱石三大黏土矿物的总含量分别为：3.1%、6.6%及0%，可以看出上庄隧道泥岩中蒙脱石含量为0，且仅含有少量伊利石和高岭石，说明上庄隧道泥岩基本不具备膨胀性的矿物成分。

3 泥岩微观结构特征及膨胀性判别

为了分析水对上庄隧道泥岩软化崩解的作用，特地委托中国科学院兰州化学物理研究所对上庄隧道泥岩微结构进行测试，采用仪器为JSM-5600 LV扫描电子显微镜。

3.1 天然状态下微观结构特征

通过对天然状态泥岩的X射线衍射能图谱分析，如图6所示，天然状态下的泥岩试样中含量最多的依次是O、Si、Al、Fe和Ca，累积可高达94.4%。通过SEM可观察到天然状态泥岩的微观结构，如图7所示，依次为放大500倍、放大2 000倍与放大5 000倍的泥岩微观图。

图6 泥岩天然状态能谱

图7 泥岩天然状态微结构

图7(a)是泥岩试样放大500倍微观结构图，由该图可以看出，上庄隧道的泥岩主要由黏土矿物组成，泥岩中黏土颗粒的含量较高，其中一些细小的黏土颗粒堆积在一起构成了较大的黏土颗粒，而且所有的黏土颗粒都相互交织着，并且按照一定的方向排列，呈絮凝状结构，而泥岩颗粒之间都较为均匀地分布着细小孔隙。

图7(b)、图7(c)是泥岩试样放大2 000倍微观结构图，由图可以明显看出，泥岩中的粗颗粒部分，而这些粗颗粒部分主要是由石英、长石等构成的，呈鳞片状剥落且解理面较为平整的石英和片状结构的长石清晰可见，在粗颗粒周围粘附着许多细小的黏土颗粒，形成了粗颗粒骨架-黏粒絮凝结构，起到了胶结的作用。

图7(d)是隧道泥岩试样放大5 000倍的微观结构图，属于超高倍数微观结构图，通过放大5 000倍观察，可以发现原本细小的黏土颗粒则是由更加细小的黏土颗粒堆积组成，这些颗粒呈规则的片状结构，形状基本呈多边形，孔隙较大，这些黏土颗粒间主要是面对面接触或点对面接触，其原因是上覆岩层的重力和频繁构造运动的影响，使矿物晶体按照一定方向排列成了有序的微结构。当水进入这种粗颗粒骨架-黏粒絮凝结构体系时，颗粒间的结合水膜将增厚，导致分子间结合力降低，从而使泥岩体积膨胀、力学性质劣化，在外力的作用下结构将发生破坏。

3.2 崩解中期微观结构特征

通过对崩解中期泥岩的X射线衍射能图谱分析，如图8所示，崩解中期时的泥岩试样中元素的含量不同于天然状态时的泥岩，这可能与水对泥岩的破坏有关，崩解中期的泥岩含量最多的依次是O、Si、C、Al和Fe，累积可高达91.93%。通过SEM可观察到崩解中期时泥岩的微观结构，如图9所示。

图8 泥岩崩解中期能谱

图9 泥岩崩解中期微结构

使用扫描电镜对崩解中期的泥岩进行观察，得到了如图9所示的扫描电镜图像，可以看出此时的黏土颗粒体积要比天然状态时要大了许多，这可能与黏土颗粒中矿物遇水体积逐渐膨胀有关，由于原本细小的黏土颗粒的体积逐渐增大，同时由于水的作用，泥岩表面产生了大量的次生孔隙，同时在泥岩表面局部区域发生不均匀性膨胀使得泥岩内部还是干的，这样的区域受到拉应力的作用，使孔隙周围形成裂缝，这些孔隙和裂缝削弱了颗粒间联系，使得较大的黏土颗粒更加容易发生脱落，而脱落下来的细小的黏土颗粒则填充了较大的泥岩孔隙，从而增加了大量的强吸水性的微小孔隙，最终导致泥岩试样变的疏松多孔。可见，泥岩遇水后泥岩的微观结构会发生较大的变化，使其致密性以及强度迅速降低。

3.3 崩解完全时微观结构特征

通过对崩解完全时泥岩的X射线衍射能图谱分析，如图10所示，崩解完全时的泥岩试样中元素的含量相对天然状态时的泥岩发生了较大变化，但是与崩解中期的泥岩成分类似，同样崩解完全时的泥岩含量最多的依次是O、Si、C、Al和Fe，累积可高达92.35%。通过SEM可观察到崩解完全时泥岩的微观结构，如图11所示。

图10 泥岩崩解完全能谱

图11 泥岩崩解完全微结构

通过扫描电镜观察到泥岩崩解完全时的图像，泥岩完全崩解以后，泥岩细小颗粒已经完全松散无序地堆积在一起，而且泥岩中的几乎所有的孔隙和裂缝都是连通的，此时的泥岩的微结构完全被破坏。这是由于水与泥岩中的矿物发生了溶蚀与次生作用，使得泥岩试样进一步产生次生孔隙，孔隙又发展成裂缝，随着试样中孔隙和裂缝数量的不断增加，泥岩的强度不断降低，最终泥岩试样完全崩解泥化，使得其力学强度急速降低，流变性迅速增大。

3.4 泥岩膨胀性判别

对上庄隧道掌子面取到的泥岩试样进行室内物理水理性质试验，如密度试验、稠度试验、膨胀率试验、湿化试验和膨胀力试验等，其中泥岩的崩解性试验采用湿化试验进行，湿化试验如图12所示。

图12 泥岩浸水后不同阶段试样状态示意

主要试验结果汇总见表3。

从表3的试验结果及上文中的矿物成分来看，上庄隧道泥岩中蒙脱石含量为0，自由膨胀率为44.33%，崩解程度为无或弱，大约在10 min开始崩解。侧限膨胀力数值也较小，总体而言，上庄隧道泥岩几乎没有膨胀性，但有一定的崩解性。

4 结论

(1)上庄隧道泥岩中氧化物主要为SiO2、Al2O3及CaO，累计占泥岩化学成分的76.54%，泥岩中微量元素主要是是P、Ba及Mn，上庄隧道围岩中金属元素的含量较大，从而导致泥岩的颜色较深。围岩中矿物成分主要为石英、方解石及斜长石，占总矿物含量的77%，上庄隧道泥岩中蒙脱石含量为0，且仅含有少量伊利石和高岭石，说明上庄隧道泥岩不具备膨胀性的矿物成分。

(2)天然状态下上庄隧道泥岩中含有较多的黏土颗粒，其中一些细小的黏土颗粒堆积在一起构成了较大的黏土颗粒；泥岩的粗颗粒部分主要是由石英、长石等构成，而在粗颗粒周围粘附着许多细小的黏土颗粒，起到了链接的作用；通过高倍放大可以发现原本细小的黏土颗粒则是由更加细小的黏土颗粒堆积组成，这些黏土颗粒间主要是面对面接触或点对面接触。

(3)崩解中期时的泥岩试样中元素的含量不同于天然状态时的泥岩，含量最多的元素依次是O、Si、C、Al和Fe；此时的黏土颗粒体积比天然状态时要大了许多，同时由于水的作用，使得较大的黏土颗粒更加容易发生脱落，泥岩遇水后其致密性以及强度迅速降低。泥岩完全崩解以后，泥岩细小颗粒完全松散无序地堆积在一起，微结构完全被破坏，最终导致了泥岩试样完全崩解泥化、强度急速降低以及流变性迅速增大。

(4)对上庄隧道掌子面取到的泥岩试样进行室内膨胀性相关试验，从试验结果及上文中的矿物成分分析，进一步确定，上庄隧道泥岩几乎没有膨胀性，但具有一定的崩解性。

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