隧道围岩矿物成分检测试验与围岩工程性质的关系

高红红，　杜守继，　张秋生

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海　200240；2.中铁十七局集团敦格铁路项目部，甘肃 敦煌　736200)



隧道围岩矿物成分检测试验与围岩工程性质的关系

高红红1，杜守继1，张秋生2

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海200240；2.中铁十七局集团敦格铁路项目部，甘肃 敦煌736200)

摘要：隧道围岩矿物成分对围岩稳定性有比较重要的影响。在隧道现场采取岩石试样，应用X射线荧光光谱仪和X射线粉末衍射仪检测岩石中所含元素及矿物成分。结果表明，隧道岩石元素主要是由Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等组成；而岩石矿物成分既有石英、长石等硬度高的矿物，也有斜绿泥石、伊利石等硬度低的矿物。当隧道正洞围岩中硬度高的矿物含量较高时，隧道围岩的变形就小些；而在斜井和平行导洞中，斜绿泥石和伊利石等硬度低的矿物含量相对高一些，导致斜井和平行导洞处围岩变形较大。

关键词：隧道围岩；矿物成分；围岩工程性质

0引言

近年来，为促进西部的发展，我国修建了大量山岭隧道，在修建过程中，如何控制隧道在开挖过程中围岩的稳定和变形是面临的重要课题。影响围岩变形和稳定性的因素有很多，如围岩工程性质、初始地应力场、隧道断面形状、埋深及施工方法等，而围岩工程性质又受矿物成分、岩石的结构构造、地下水、风化作用等因素的影响。孟召平等[1]指出岩石矿物成分和结构是影响其力学性质的重要因素，石英含量的增加使岩石的单轴抗压强度和弹性模量增大。赵斌等[2]通过X射线衍射分析测定了岩样中的矿物成分，并结合扫描电镜观察岩样的细观结构，得出长石会增加岩样的脆性，方解石含量的增加会降低岩石的抗压强度和弹性模量，长石则会使岩石的粘聚力增大。Johansson[3]分析了云母含量、岩石中的裂隙和孔隙率、颗粒形状和大小等因素对岩石工程性质的影响。上述文献都局限于实验阶段，没有在实际工程中分析矿物种类及含量与围岩变形的关系。岩石中所含的矿物成分是直接影响围岩工程性质的重要因素，即使围岩处于相同的环境条件，但当围岩中所含矿物成分及含量不同时，隧道围岩的工程性质也会表现出较大的差异。因此，应用X射线荧光光谱仪和多晶X射线粉末衍射仪，检测及分析隧道围岩中所含元素和矿物的种类及含量，结合现场监测的围岩拱顶沉降值，分析围岩中的矿物成分及含量对其工程性质和变形的影响，为隧道开挖后有效地减小围岩变形及维护围岩稳定提供一定的依据。

1工程概况与现场取样

敦格铁路当金山隧道位于甘肃省阿克拉塞县境内，北侧为阿克塞盆地，南侧为柴达木盆地，全长20 140 m，隧道起讫里程DK194+980～DK215+150。围岩等级为 Ⅲ～Ⅳ，主要为云母石英片岩，云母石英片岩以灰黑色为主，夹有透闪片岩、黑云母片岩，偶见大理层薄岩，主要矿物有石英(19%～37%)、长石(9%～24%)、云母(8%～38%)，局部有角闪石等矿物，岩质较坚硬；隧道位于高寒地区，季节性温差较大，多年平均气温3.1 ℃，最低温度-34.3 ℃；地下水以基岩裂隙水为主，岩层的片理、层理以及岩体的节理裂隙等为地下水的运移、存储提供了空间和通道；隧道采用钻爆法施工，台阶法或全断面法开挖。

检测用岩样取样位置分别位于隧道正洞、斜井与平行导洞。每个位置取5组岩样，岩样以松散碎块状为主，直径小于2 cm，取回的岩样如图1所示，取样位置埋深、围岩等级等如表1所示。岩石以云母石英片岩为主，主要矿物有石英、长石、云母等，岩体结构各取样位置岩体受构造影响严重，节理裂隙发育，岩体破碎，整体工程地质条件较差。

表1　岩样具体信息

图1　岩石试样

2测试设备及方法

2.1测试设备

岩样元素分析采用上海交通大学分析测试中心的日本岛津XRF-1800扫描型X射线荧光光谱仪，X射线管选用铜靶，管压为40 kV，管流70 mA，该仪器分析灵敏度高，分析元素(5硼-92铀)范围宽，试样制作简单，多种元素同时分析，分析速度快，样品在分析中不损坏。

岩样矿物分析采用中科院上海硅酸盐研究所的Bruker D8 Advance 多晶X射线粉晶衍射仪；X射线管选用铜靶，管压为40 kV，管流40 mA，2θ角扫描范围为4°～90°(全谱)；发散狭缝和防散射狭缝为1.0 mm，接收狭为0.1 mm，步长为0.03°/步，扫描速度为0.4 s/步。

2.2测试方法

2.2.1岩样元素测试方法

(1)测试原理。一束能量足够高的X射线光子撞击物质时，其组分元素原子的内层电子被激发，轨道上形成空穴，此时原子处于不稳定的激发状态，外层高能级电子自发向内层跃迁，同时会辐射出特征荧光X射线，X射线荧光光谱仪中的分光系统会将不同波长的特征荧光X射线分离出来。特征荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z符合莫斯莱定律，其数学关系式为

(1)

式中,K和s为常数。由于不同元素的荧光X射线具有其特定波长，因此可以通过(1)式确定元素的种类。

元素荧光X射线强度Ii与岩样中元素含量Wi成正比

(2)

Ii为100%时，该元素的荧光X射线强度，根据特征X射线荧光光谱的强度，由(2)式可得到元素的含量[4-5]。

图2　正洞-2 X射线荧光光谱图

(2) 测试方法。将压环法制作好的岩样放入X射线荧光光谱仪，仪器中X射线管产生的X射线照射到岩样表面，激发出样品元素的特征荧光X射线，分光系统将不同波长的特征荧光X射线分开，检测计数系统记录不同的特征荧光X射线强度，得到2θ-荧光X射线强度关系曲线，即X射线荧光光谱图，正洞岩样-2的X射线荧光光谱图如图2所示。

2.2.2岩样矿物成分测试方法

(1) 测试原理。绝大多数矿物属于晶体，由于X射线具有穿透性，当一束波长为λ的单色X射线以入射角θ投射到相邻间距为d的平行原子面时，原子中的电子受激而同步振动，振动的电子作为新的辐射源向四周辐射与原入射X射线波长相同的次生X射线，当相邻晶面X射线辐射的光程差(2dsinθ)为波长的整数倍，且对任意取向的θ，角度满足布拉格方程2dsinθ=nλ时，这两条相邻的X射线就会发生衍射。而不同物质的晶格常数、面网间距及原子种类不同，即任何一种物质都具有其特定的晶体结构，在一定的X射线照射下，有其独特的衍射谱线，以此确定岩样中矿物种类。混合谱中各相的衍射强度与它们在混合物中的含量成正比，故X射线衍射还可以进行定量分析[6]。

图3　正洞-2 X射线衍射图

(2)岩样矿物定性分析方法。首先，将制作好的岩样放入衍射仪进行全谱扫描得到岩样的X射线衍射图谱。然后，用MID-JADE软件打开岩样的X射线衍射图谱，将X射线荧光光谱分析得到的主要元素输入该软件，限定岩样中所含矿物的检索范围，将每种矿物的标准衍射图谱与扫描获得的图谱进行比对，当二者满足在相同的衍射角度都会出现衍射峰，且对应的数目≧3时，可以确定岩样中含有该矿物，图3给出了正洞岩样-2的X射线衍射图及检测出的矿物成分。最后，将检索范围内矿物的标准衍射图谱一一与扫描衍射图谱进行比对，确定岩样中所含的主要矿物。

(3)岩样矿物定量分析方法。X射线荧光光谱仪检测出岩样中含有的主要元素及含量，X射线衍射仪检测出岩样中的主要矿物，岩样中主要的矿物包含了绝大部分元素含量。当某种元素只存在于一种矿物中，如ZD-2中，钠元素只存在于钠长石中，则可以根据岩样中检测到的钠元素含量确定出钠长石在岩样中的含量；钾元素只存在于伊利石中，则可以根据岩样中检测到的钾元素含量确定出伊利石在岩样中的含量；当某种元素存在于两种或两种以上的矿物中，如XJ-2中铁元素和镁元素存在于斜绿泥石和绿钠闪石中，可根据这两种元素的含量求出绿泥石和绿钠闪石在岩样中的含量[7]。

由表2可得，在正洞中，ZD-1、ZD-5岩样各元素含量相近，ZD-2、ZD-3、ZD-4岩样各元素含量相近，而前两组岩样与后三组岩样的硅、铝钾元素含量有较大的差别，且正洞中五组岩样所含矿物种类相同，元素含量直接影响矿物含量，所以正洞中各矿物含量会有较大变动；平行导洞和一号斜井的各元素含量的波动相对较小，故矿物含量的波动也较小。

3测试结果及分析

3.1元素测试结果

通过X射线荧光光谱仪依次对正洞、斜井和平行导洞取回的15组岩石试样进行元素的定性和定量分析，分析结果如表2所示。

表2　岩样元素含量　%

岩样中非金属元素以O、Si为主，这两种元素的均值在正洞、一号斜井、平行导洞中所占比例分别为73.1%、68.0%、66.9%；金属元素以Al、Fe、Ca、Mg、K、Na为主，6种元素的均值在正洞、一号斜井、平行导洞中所占比例分别为26.9%、32.0%、33.1%，即正洞中非金属元素含量高于一号斜井和平行导洞，金属元素含量则低。一般而言，原子数量越多，元素在不断迁移过程中结合形成矿物的机会就越多，即结合形成的矿物种类及含量就越多，因此根据所测岩样中主要元素的含量，得出岩样主要是由Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等形成的氧化物和含氧盐矿物；正洞处石英含量高于一号斜井和平行导洞，相应的含氧盐矿物含量要低；一号斜井和平行导洞的金属和非金属元素含量相近，如图4所示，且取样地点都位于长城系二云石英片岩区，因此这两处的矿物种类及含量相近。

3.2岩石矿物成分测试结果

表3给出隧道三处取样位置的矿物组成，得到的矿物主要有钠长石、方解石、正长石、石英、绿钠闪石、斜绿泥石、伊利石、铁白云石。与设计中工程地质勘察报告相比，正洞中增加了斜绿泥石和伊利石，一号斜井和平行导洞增加了斜绿泥石、伊利石、绿钠闪石和方解石。三处取样位置岩石所含矿物均检测出了斜绿泥石和伊利石，这两种矿物在遇水、风化等条件下的工程性质和石英、长石有较大的差异，使隧道在开挖后可能表现出软岩大变形的特性。

表3　岩样矿物组成

注：√为X射线衍射分析检测出岩样中所含矿物；●为工程地质勘察报告给出的岩样中所含矿物。

3.3岩石矿物含量测试结果及分析

利用岩样中元素的含量计算得到岩样中矿物含量，其计算过程如表4所示。X射线荧光光谱分析得到的ZD-2中元素含量：O：47.4% ；Si：28.6% ；Ca：4.0%；Fe：4.6%； Al：10.6%； Mg:：1.7% ；K：1.4% ；Na：1.7%。

表4　正洞中岩样-2的矿物含量计算

石英含量：100%-15.0%-28.3%-6.4%-9.2%=41.4%。

根据上述得到的各矿物相对含量，得出试样中Al元素含量=15%×0.193+28.3%×0.28+9.2%×0.108=11.6%，而通过实验测得的铝元素含量为10.6%，考虑到仪器误差、采样误差、样品制备过程中产生的误差等，上述计算结果是合理的。通过元素含量依次计算各岩样中的矿物含量，其结果如表5～表7所示。

表5　正洞矿物含量　%

表6　斜井矿物含量　%

表7　平行导洞矿物含　%

由表5～表7分析得出：正洞含有的主要矿物(含量≥10%)石英、钠长石、伊利石，石英和长石的总含量为77.3%、斜绿泥石和伊利石的总含量为18.7%，铁白云石的含量分别为8.0%。由于硅元素和钾元素有较大的差别，因而石英和伊利石的含量有较大的波动。

斜井含有的主要矿物为石英、钠长石、绿钠闪石和方解石，石英和长石的总含量为54.4%，斜绿泥石和伊利石的总含量为13.6%，绿钠闪石和方解石的含量分别为23.0%、11.5%。斜井中各矿物含量波动较小。

平行导洞含有的主要矿物为石英、钠长石、斜绿泥石、绿钠闪石、伊利石和方解石。石英和长石的总含量为42.7%，斜绿泥石和伊利石的总含量为24.2%，绿钠闪石和方解石的含量分别为21.6%、11.4%。平行导洞中各矿物含量波动较小。

斜井和平行导洞中伊利石和方解石的含量有较大差别，而其他矿物含量较接近；与正洞相比，斜井和平行导洞中石英、铁白云石含量降低，斜绿泥石、绿钠闪石、方解石的含量增加，绿钠闪石、方解石、铁白云石、斜绿泥石总含量分别为12.2%、45.6%、43.6%。

正洞、斜井和平行导洞的岩样中都含有石英、长石、斜绿泥石和伊利石，但这4种矿物的含量差别较大。正洞、斜井和平行导洞中石英和长石总含量分别占77.3%、54.4%、42.7%，斜绿泥石、伊利石和方解石总含量分别占18.7%、22.6%、35.6%，与正洞相比，斜井和平行导洞中，石英和长石的含量在减小，伊利石、斜绿泥石和方解石的含量在增加。

与工程地质勘察报告相比，正洞矿物增加了斜绿泥石、伊利石和铁白云石，其总含量为26.7%；斜井矿物增加了斜绿泥石、绿钠闪石、方解石和伊利石，其总含量为45.6%；平行导洞矿物增加了斜绿泥石、绿钠闪石、伊利石和方解石，其总含量为57.2%，新增加的矿物所占比重较大，所以上述几种矿物对围岩工程性质的影响是不可忽略的。

4矿物组成与围岩的工程性质的关系

本次试验针对给出的15个岩样，通过X射线衍射分析得出岩石中含有的主要矿物为石英、长石、伊利石、绿钠闪石、斜绿泥石、方解石，矿物组成、地下水等都对围岩工程性质有直接的影响。

4.1矿物对岩石强度的影响

从矿物成分角度分析围岩的强度：矿物成分直接影响岩石的强度，一般硬度大的矿物含量愈高，则岩石的强度越高[8]，如石英、长石、绿钠闪石等矿物；硬度小的矿物含量越低，岩石强度越低，如伊利石、斜绿泥石。对于整体块状岩石，岩石的强度直接决定了岩体的强度，岩石强度高，隧道开挖后，围岩较易稳定；而对于节理、岩层破碎的围岩，岩石强度仅是影响岩体强度的部分因素。

从矿物含量的角度分析围岩的强度：正洞、斜井和平行导洞中石英和长石的总含量分别为73.3%、54.4%、42.7%，斜井和平行导洞中绿钠闪石的含量分别为23.0%和21.6%，所以正洞围岩强度较高，斜井次之，平行导洞最小。

岩石中各种矿物分布并不是均匀的，矿物形成时受温度、压力等因素的影响，造成矿物组分分布呈现出规则的周期性，使得一些强度低、易风化的矿物呈带状分布，地下洞室开挖以后，应力重分布，受隧道断面形状的影响，在拱脚、拱腰等处易产生应力集中，岩石会从这些软弱结构面破坏。

4.2矿物影响岩石的风化

从矿物成分角度分析围岩的风化：隧道施工过程中，受开挖方法、开挖进尺、施工作业空间等因素的影响，初期支护不能及时施做，围岩会长时间暴露在空气中，由于围岩受大气、水、温度等因素的影响，会加速其风化的速度，使岩体原有裂隙增大。石英、长石的抗风化能力较强，而绿钠闪石、方解石、铁白云石、绿泥石的抗风化能力较弱，抗风化能力弱的矿物易风化成粘土矿物，导致岩体的强度和稳定性降低。

从矿物含量角度分析围岩的风化：正洞、一号斜井、平行导洞中绿钠闪石、方解石、铁白云石、斜绿泥石总含量分别为12.2%、45.6%、43.6%，所以正洞处围岩抗风化能力较强，斜井和平行导洞的抗风化能力都较弱。因此，施工过程中，应及时施做初期支护并使其闭合，缩短围岩暴露时间。

4.3地下水、矿物与围岩工程性质的关系

水对矿物工程性质的影响是多方面的，当金山隧道位于高寒地区，季节性温差较大，多年平均气温3.1 ℃，最冷月气温-13.1 ℃，由于岩体节理裂隙发育，岩石中矿物成分复杂，结构构造不均匀，使得岩石抗冻性较差[9]。

对于可溶性矿物方解石，在水流作用特别是当水中含CO2时易溶解，为岩溶发育提供了条件，施工中可能会发生涌水、渗漏、塌陷等。斜井和平行导洞中方解石含量较高，达到11.5%和11.4%，因此隧道开挖前应做好施工超前地质预测[10]，掌握隧道掌子面前方的地质条件。

伊利石、斜绿泥石等矿物成分，在遇水的条件下易软化，造成围岩的强度降低，且斜绿泥石随时间的变形具有明显的蠕变性质[11]，且斜绿泥石吸水后，体积可膨胀10%～30%。正洞、斜井和平行导洞中这两种矿物的含量较高，分别为18.7%、11.1%、24.2%，由于这两种矿物的存在，隧道开挖后，由于受地下水和施工用水的影响，可能使围岩产生较大的变形，可以采用合理的开挖方法、开挖进尺和超前支护等措施减小围岩的变形[12-13]。

岩石吸水饱和后强度都会降低，水沿着岩石的节理裂隙浸入，削弱了矿物颗粒彼此间的联结力，使岩石抗剪强度、抗压强度降低，因此，需要根据不同的地质情况，制定相应的应对措施，做好防止地下水侵入的措施，如采用井点降水、修筑排水坑道或向地层中注浆等措施；施工过程中，应尽量减少施工用水。

4.4矿物与围岩变形的关系

图4　拱顶沉降曲线

隧道监控量测的主要目的是保证隧道结构和围岩的稳定与施工安全。根据施工量测的结果与理论预测值相比较，修正设计参数，指导现场施工，为优化设计提供依据。隧道内围岩拱顶沉降采用水准测量的方法，配备水准仪、钢挂尺或全站仪等仪器。图4给出隧道岩石三个取样位置处断面拱顶下沉曲线。

由图4可以得出，平行导洞、斜井、正洞拱顶最终沉降值为15.2 mm、10.7 mm、9.5 mm，即平行导洞拱顶沉降最大，斜井次之，正洞最小。根据围岩矿物成分分析结果，围岩中矿物成分及含量是影响围岩拱顶沉降的重要因素之一，当围岩中硬度高的矿物含量较高时，如在正洞中，强度较高的石英和长石的含量较高，石英含量的增加会提高岩石的弹性模量和强度，隧道围岩的变形就小些；而在斜井和平行导洞中，斜绿泥石和伊利石等硬度低的矿物含量相对高一些，这样会降低岩石的弹性模量。结合表1，正洞处为Ⅲ级围岩，岩石强度高，且采用台阶法开挖，因此围岩变形较小；而斜井和平行导洞为Ⅳ级围岩，围岩等级较差，岩石强度较低，故围岩变形较大。

矿物种类及含量是影响围岩工程性质及稳定性的内部因素，围岩的工程性质和稳定性还受很多外部因素的影响，如隧道的开挖方法，断面形状等，要想真正掌握围岩的工程性质，维护围岩的稳定，应考虑开挖方法、初始地应力、岩体结构构造、地下水等因素的综合作用结果。

5结论

利用X射线荧光光谱仪和多晶X射线粉末衍射仪检测出了围岩中元素与矿物的成分与含量，定性和定量分析矿物对围岩工程性质的影响，得出以下几点结论：

(1) 岩样中含有的主要元素为氧、硅、钙、铁、镁、钾、钠，正洞、斜井和平行导洞中非金属元素的含量要远高于金属元素的含量，正洞中的非金属元素含量高于平行导洞和斜井。

(2)不同取样地点岩样所含矿物成分不同，正洞含有的主要矿物石英、钠长石、伊利石，斜井含有的主要矿物为石英、钠长石、绿钠闪石和方解石，平行导洞中含有的主要矿物为石英、钠长石、斜绿泥石、绿钠闪石、伊利石和方解石。与正洞相比，斜井和平行导洞处的石英和长石的含量减少，而斜绿泥石和伊利石含量增加。

(3)围岩中矿物成分及含量是影响围岩拱顶沉降的重要因素之一，当隧道正洞围岩中硬度高的矿物含量较高时，隧道围岩的变形就小些；而在斜井和平行导洞中，斜绿泥石和伊利石等硬度低的矿物含量相对高一些，导致斜井和平行导洞处围岩变形较大。

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Relation Between Engineering Properties of Tunnel Surrounding Rock and Experimental Study on its Mineral Composition

Gao Honghong,Du Shouji,Zhang Qiusheng

(1.Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University. Shanghai 200240, China;2.Project Management of Dun-ge Railway, 17th Bureau Group of CRCC, Dunhuang 736200, China)

Abstract:The mineral composition of rock is significant for the stability of surrounding rock.With rock samples taken on site, this paper adopts X-ray fluorescence spectrometer and X-ray power diffraction spectrometer to analyze the element and mineral composition, respectively.The results show that the surrounding rock consists of mental and non-mental elements, such as, Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, ect. The primary components of the rock include both high hardness minerals and low hardness minerals, the former mainly contains quartz, feldspar and the latter primarily chlorite and illite.The latter can be easily softened with water, and remarkably affect the stability of the tunnel surrounding rock.

Key words:surrounding rock; mineral composition ; engineering properties of surrounding rock

作者简介：高红红(1988-)，女，硕士研究生，主要从事岩土工程与地下结构工程的研究。E-mail:sdlylsghh@163.com

收稿日期：2014-11-11责任编辑:车轩玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.05

高红红,杜守继,张秋生.隧道围岩矿物成分检测试验与围岩工程性质的关系[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(1):25-32.