寶蘭客專蘭州段泥巖軟化特性的微觀研究

張晉東，梁慶國，樊純壇

(1.土木工程國家級實驗教學示范中心(蘭州交通大學)，蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；3.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

西部大開發以來，公路隧道與鐵路隧道工程的建設，掀起了黃土泥巖軟化、泥化問題的研究浪潮。在西北富水地區隧道的開挖過程中，由于支護結構無法解除水對泥巖的作用，不斷揭露出泥巖遇水軟化導致圍巖的整體性下降、巖石強度不高等特征。現有的研究已證明[1-4]：軟弱圍巖強度大幅度降低的原因不僅僅是由力學效應引起的，而且是由于復雜的化學作用和腐蝕過程造成的[5-7]，楊建林等[8]的研究進一步表明，材料宏觀力學性能變化的根本是內部微觀構造發生了變化。所以，泥巖遇水軟化的微觀分析應該引起重視。尤其是對于富水地區的黃土泥巖更是如此。現今階段，關于軟巖微觀特性的研究主要集中于對砂巖、頁巖及煤系泥巖微觀構造的變化上。如：馮文凱等[9]對常見的砂、泥巖進行電鏡掃描試驗，從微觀結構上充分解釋了其抗沖擊特性及波的傳播特性；譚羅榮[10]探討了黏土巖崩解及泥化的物理力學原理，涉及到少許微觀結構分析；黃宏偉，車平[11]研究了煤系泥巖軟化時微觀結構的變化特征；范一林、李青云等[12]研究了水布埡頁巖遇水軟化的原因；劉鎮，周翠英等[13]針對華南地域分布的紅色砂巖及炭質泥巖等軟巖，設計飽水試驗，揭示了其軟化的變化規律及微觀結構演化的臨界判據。在已有的成果中，對于西北地區黃土地層泥巖微觀的研究還比較少。

為了研究水對黃土地層泥巖軟化的作用原理，以寶蘭客專上莊隧道為背景，基于該工程中泥巖遇水軟化后所產生的一系列工程問題，利用衍射儀、掃描鏡等設備，對該種泥巖進行了測試，分析了黃土地層泥巖的地球化學成分，探討了其在軟化崩解前、中、后期微觀構造的變化，并進行了室內物理水理性質試驗，進一步對該泥巖的膨脹性進行判別，為在黃土泥巖地層進行安全高效建設提供了理論依據。

1 工程概況

寶蘭客專上莊隧道位于蘭州市榆中縣，為單洞雙線隧道，最大埋深203 m，地處黃土梁峁區，溝深坡陡，相對高差200～250 m，隧道圍巖以Ⅳ～Ⅴ級為主，Ⅴ級圍巖占總長的71%，Ⅳ級圍巖占總長的29%。隧道洞口如圖1所示。

圖1 上莊隧道洞口

圖2 仰拱積水

上莊隧道洞身通過的地層主要為砂質黃土、黏質黃土及泥巖。由于隧道洞身開挖穿越的地層含水量豐富，屬于富水區，如圖2所示。泥巖呈現出泥質構造和塊狀構造，局部微斜層理，成巖較差，干縮，遇水極易軟化。本文試驗中所取土樣即為隧道內黃土地層中的泥巖。

2 泥巖地球化學成分和礦物成分試驗

將從隧道現場掌子面取回來的較為完整的泥巖試樣，進行化學成分和礦物成分測試。

2.1 地球化學成分試驗

化學成分測試是在中科院地質與地球物理研究所完成的，采用的日本理學公司生產的X-射線熒光光譜儀，儀器型號為3080 E3，依據《硅酸鹽巖石化學分析方法之X射線熒光光譜法測定主、次元素量》(GB/T 14506.28—2010)[14]所測的化學成分和微量元素如表1所示，為了更加直觀顯示各化學成分的含量，根據表1所示數值作出了各化學成分含量柱狀圖，如圖3及圖4所示。

表1 泥巖化學成分和微量元素

圖3 泥巖化學成分柱狀圖

圖4 泥巖微量元素柱狀圖

由表1及圖3能夠看出泥巖中的氧化物主要為SiO2、Al2O3及CaO，含量分別為55.59%、13.26%及7.69%，這3種合計占泥巖化學成分的76.54%，說明上莊隧道圍巖主要化學成分是SiO2、Al2O3及CaO；而對于微量元素，由圖4可知，泥巖中微量元素主要為P、Ba及Mn，含量分別為632 μg/g、603.6 μg/g及558.6 μg/g，3種微量元素合計一共為1 794.2 μg/g，占總微量元素的67.9%。

2.2 礦物成分試驗

礦物成分測試在中科院地質與地球物理研究所完成，采用日本生產的D/Max-3B型X-射線衍射儀，測試條件為：Cu靶，步進連續掃描，掃描速率為4°/min。依據《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X衍射分析方法》(SY/T 5163-2010)[15]。測試結果分別見表2和圖5。

表2 泥巖礦物成分測試結果

圖5 泥巖礦物成分柱狀圖

由表2和圖5可以看出，上莊隧道泥巖中的礦物成分主要為石英、方解石及斜長石，含量分別為35.7%、23.5%及17.8%，占總礦物含量的77%，伊利石是含量最高的黏土礦物，約為6.6%，這與化學成分分析的結果相吻合。高嶺石、伊利石和蒙脫石三大黏土礦物的總含量分別為：3.1%、6.6%及0%，可以看出上莊隧道泥巖中蒙脫石含量為0，且僅含有少量伊利石和高嶺石，說明上莊隧道泥巖基本不具備膨脹性的礦物成分。

3 泥巖微觀結構特征及膨脹性判別

為了分析水對上莊隧道泥巖軟化崩解的作用，特地委托中國科學院蘭州化學物理研究所對上莊隧道泥巖微結構進行測試，采用儀器為JSM-5600 LV掃描電子顯微鏡。

3.1 天然狀態下微觀結構特征

通過對天然狀態泥巖的X射線衍射能圖譜分析，如圖6所示，天然狀態下的泥巖試樣中含量最多的依次是O、Si、Al、Fe和Ca，累積可高達94.4%。通過SEM可觀察到天然狀態泥巖的微觀結構，如圖7所示，依次為放大500倍、放大2 000倍與放大5 000倍的泥巖微觀圖。

圖6 泥巖天然狀態能譜

圖7 泥巖天然狀態微結構

圖7(a)是泥巖試樣放大500倍微觀結構圖，由該圖可以看出，上莊隧道的泥巖主要由黏土礦物組成，泥巖中黏土顆粒的含量較高，其中一些細小的黏土顆粒堆積在一起構成了較大的黏土顆粒，而且所有的黏土顆粒都相互交織著，并且按照一定的方向排列，呈絮凝狀結構，而泥巖顆粒之間都較為均勻地分布著細小孔隙。

圖7(b)、圖7(c)是泥巖試樣放大2 000倍微觀結構圖，由圖可以明顯看出，泥巖中的粗顆粒部分，而這些粗顆粒部分主要是由石英、長石等構成的，呈鱗片狀剝落且解理面較為平整的石英和片狀結構的長石清晰可見，在粗顆粒周圍粘附著許多細小的黏土顆粒，形成了粗顆粒骨架-黏粒絮凝結構，起到了膠結的作用。

圖7(d)是隧道泥巖試樣放大5 000倍的微觀結構圖，屬于超高倍數微觀結構圖，通過放大5 000倍觀察，可以發現原本細小的黏土顆粒則是由更加細小的黏土顆粒堆積組成，這些顆粒呈規則的片狀結構，形狀基本呈多邊形，孔隙較大，這些黏土顆粒間主要是面對面接觸或點對面接觸，其原因是上覆巖層的重力和頻繁構造運動的影響，使礦物晶體按照一定方向排列成了有序的微結構。當水進入這種粗顆粒骨架-黏粒絮凝結構體系時，顆粒間的結合水膜將增厚，導致分子間結合力降低，從而使泥巖體積膨脹、力學性質劣化，在外力的作用下結構將發生破壞。

3.2 崩解中期微觀結構特征

通過對崩解中期泥巖的X射線衍射能圖譜分析，如圖8所示，崩解中期時的泥巖試樣中元素的含量不同于天然狀態時的泥巖，這可能與水對泥巖的破壞有關，崩解中期的泥巖含量最多的依次是O、Si、C、Al和Fe，累積可高達91.93%。通過SEM可觀察到崩解中期時泥巖的微觀結構，如圖9所示。

圖8 泥巖崩解中期能譜

圖9 泥巖崩解中期微結構

使用掃描電鏡對崩解中期的泥巖進行觀察，得到了如圖9所示的掃描電鏡圖像，可以看出此時的黏土顆粒體積要比天然狀態時要大了許多，這可能與黏土顆粒中礦物遇水體積逐漸膨脹有關，由于原本細小的黏土顆粒的體積逐漸增大，同時由于水的作用，泥巖表面產生了大量的次生孔隙，同時在泥巖表面局部區域發生不均勻性膨脹使得泥巖內部還是干的，這樣的區域受到拉應力的作用，使孔隙周圍形成裂縫，這些孔隙和裂縫削弱了顆粒間聯系，使得較大的黏土顆粒更加容易發生脫落，而脫落下來的細小的黏土顆粒則填充了較大的泥巖孔隙，從而增加了大量的強吸水性的微小孔隙，最終導致泥巖試樣變的疏松多孔。可見，泥巖遇水后泥巖的微觀結構會發生較大的變化，使其致密性以及強度迅速降低。

3.3 崩解完全時微觀結構特征

通過對崩解完全時泥巖的X射線衍射能圖譜分析，如圖10所示，崩解完全時的泥巖試樣中元素的含量相對天然狀態時的泥巖發生了較大變化，但是與崩解中期的泥巖成分類似，同樣崩解完全時的泥巖含量最多的依次是O、Si、C、Al和Fe，累積可高達92.35%。通過SEM可觀察到崩解完全時泥巖的微觀結構，如圖11所示。

圖10 泥巖崩解完全能譜

圖11 泥巖崩解完全微結構

通過掃描電鏡觀察到泥巖崩解完全時的圖像，泥巖完全崩解以后，泥巖細小顆粒已經完全松散無序地堆積在一起，而且泥巖中的幾乎所有的孔隙和裂縫都是連通的，此時的泥巖的微結構完全被破壞。這是由于水與泥巖中的礦物發生了溶蝕與次生作用，使得泥巖試樣進一步產生次生孔隙，孔隙又發展成裂縫，隨著試樣中孔隙和裂縫數量的不斷增加，泥巖的強度不斷降低，最終泥巖試樣完全崩解泥化，使得其力學強度急速降低，流變性迅速增大。

3.4 泥巖膨脹性判別

對上莊隧道掌子面取到的泥巖試樣進行室內物理水理性質試驗，如密度試驗、稠度試驗、膨脹率試驗、濕化試驗和膨脹力試驗等，其中泥巖的崩解性試驗采用濕化試驗進行，濕化試驗如圖12所示。

圖12 泥巖浸水后不同階段試樣狀態示意

主要試驗結果匯總見表3。

從表3的試驗結果及上文中的礦物成分來看，上莊隧道泥巖中蒙脫石含量為0，自由膨脹率為44.33%，崩解程度為無或弱，大約在10 min開始崩解。側限膨脹力數值也較小，總體而言，上莊隧道泥巖幾乎沒有膨脹性，但有一定的崩解性。

4 結論

(1)上莊隧道泥巖中氧化物主要為SiO2、Al2O3及CaO，累計占泥巖化學成分的76.54%，泥巖中微量元素主要是是P、Ba及Mn，上莊隧道圍巖中金屬元素的含量較大，從而導致泥巖的顏色較深。圍巖中礦物成分主要為石英、方解石及斜長石，占總礦物含量的77%，上莊隧道泥巖中蒙脫石含量為0，且僅含有少量伊利石和高嶺石，說明上莊隧道泥巖不具備膨脹性的礦物成分。

(2)天然狀態下上莊隧道泥巖中含有較多的黏土顆粒，其中一些細小的黏土顆粒堆積在一起構成了較大的黏土顆粒；泥巖的粗顆粒部分主要是由石英、長石等構成，而在粗顆粒周圍粘附著許多細小的黏土顆粒，起到了鏈接的作用；通過高倍放大可以發現原本細小的黏土顆粒則是由更加細小的黏土顆粒堆積組成，這些黏土顆粒間主要是面對面接觸或點對面接觸。

(3)崩解中期時的泥巖試樣中元素的含量不同于天然狀態時的泥巖，含量最多的元素依次是O、Si、C、Al和Fe；此時的黏土顆粒體積比天然狀態時要大了許多，同時由于水的作用，使得較大的黏土顆粒更加容易發生脫落，泥巖遇水后其致密性以及強度迅速降低。泥巖完全崩解以后，泥巖細小顆粒完全松散無序地堆積在一起，微結構完全被破壞，最終導致了泥巖試樣完全崩解泥化、強度急速降低以及流變性迅速增大。

(4)對上莊隧道掌子面取到的泥巖試樣進行室內膨脹性相關試驗，從試驗結果及上文中的礦物成分分析，進一步確定，上莊隧道泥巖幾乎沒有膨脹性，但具有一定的崩解性。

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