隧道圍巖礦物成分檢測(cè)試驗(yàn)與圍巖工程性質(zhì)的關(guān)系

高紅紅，　杜守繼，　張秋生

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上?！?00240；2.中鐵十七局集團(tuán)敦格鐵路項(xiàng)目部，甘肅 敦煌　736200)

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隧道圍巖礦物成分檢測(cè)試驗(yàn)與圍巖工程性質(zhì)的關(guān)系

高紅紅1，杜守繼1，張秋生2

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240；2.中鐵十七局集團(tuán)敦格鐵路項(xiàng)目部，甘肅 敦煌736200)

摘要：隧道圍巖礦物成分對(duì)圍巖穩(wěn)定性有比較重要的影響。在隧道現(xiàn)場(chǎng)采取巖石試樣，應(yīng)用X射線熒光光譜儀和X射線粉末衍射儀檢測(cè)巖石中所含元素及礦物成分。結(jié)果表明，隧道巖石元素主要是由Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等組成；而巖石礦物成分既有石英、長石等硬度高的礦物，也有斜綠泥石、伊利石等硬度低的礦物。當(dāng)隧道正洞圍巖中硬度高的礦物含量較高時(shí)，隧道圍巖的變形就小些；而在斜井和平行導(dǎo)洞中，斜綠泥石和伊利石等硬度低的礦物含量相對(duì)高一些，導(dǎo)致斜井和平行導(dǎo)洞處圍巖變形較大。

關(guān)鍵詞：隧道圍巖；礦物成分；圍巖工程性質(zhì)

0引言

近年來，為促進(jìn)西部的發(fā)展，我國修建了大量山嶺隧道，在修建過程中，如何控制隧道在開挖過程中圍巖的穩(wěn)定和變形是面臨的重要課題。影響圍巖變形和穩(wěn)定性的因素有很多，如圍巖工程性質(zhì)、初始地應(yīng)力場(chǎng)、隧道斷面形狀、埋深及施工方法等，而圍巖工程性質(zhì)又受礦物成分、巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地下水、風(fēng)化作用等因素的影響。孟召平等[1]指出巖石礦物成分和結(jié)構(gòu)是影響其力學(xué)性質(zhì)的重要因素，石英含量的增加使巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量增大。趙斌等[2]通過X射線衍射分析測(cè)定了巖樣中的礦物成分，并結(jié)合掃描電鏡觀察巖樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，得出長石會(huì)增加巖樣的脆性，方解石含量的增加會(huì)降低巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，長石則會(huì)使巖石的粘聚力增大。Johansson[3]分析了云母含量、巖石中的裂隙和孔隙率、顆粒形狀和大小等因素對(duì)巖石工程性質(zhì)的影響。上述文獻(xiàn)都局限于實(shí)驗(yàn)階段，沒有在實(shí)際工程中分析礦物種類及含量與圍巖變形的關(guān)系。巖石中所含的礦物成分是直接影響圍巖工程性質(zhì)的重要因素，即使圍巖處于相同的環(huán)境條件，但當(dāng)圍巖中所含礦物成分及含量不同時(shí)，隧道圍巖的工程性質(zhì)也會(huì)表現(xiàn)出較大的差異。因此，應(yīng)用X射線熒光光譜儀和多晶X射線粉末衍射儀，檢測(cè)及分析隧道圍巖中所含元素和礦物的種類及含量，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的圍巖拱頂沉降值，分析圍巖中的礦物成分及含量對(duì)其工程性質(zhì)和變形的影響，為隧道開挖后有效地減小圍巖變形及維護(hù)圍巖穩(wěn)定提供一定的依據(jù)。

1工程概況與現(xiàn)場(chǎng)取樣

敦格鐵路當(dāng)金山隧道位于甘肅省阿克拉塞縣境內(nèi)，北側(cè)為阿克塞盆地，南側(cè)為柴達(dá)木盆地，全長20 140 m，隧道起訖里程DK194+980～DK215+150。圍巖等級(jí)為 Ⅲ～Ⅳ，主要為云母石英片巖，云母石英片巖以灰黑色為主，夾有透閃片巖、黑云母片巖，偶見大理層薄巖，主要礦物有石英(19%～37%)、長石(9%～24%)、云母(8%～38%)，局部有角閃石等礦物，巖質(zhì)較堅(jiān)硬；隧道位于高寒地區(qū)，季節(jié)性溫差較大，多年平均氣溫3.1 ℃，最低溫度-34.3 ℃；地下水以基巖裂隙水為主，巖層的片理、層理以及巖體的節(jié)理裂隙等為地下水的運(yùn)移、存儲(chǔ)提供了空間和通道；隧道采用鉆爆法施工，臺(tái)階法或全斷面法開挖。

檢測(cè)用巖樣取樣位置分別位于隧道正洞、斜井與平行導(dǎo)洞。每個(gè)位置取5組巖樣，巖樣以松散碎塊狀為主，直徑小于2 cm，取回的巖樣如圖1所示，取樣位置埋深、圍巖等級(jí)等如表1所示。巖石以云母石英片巖為主，主要礦物有石英、長石、云母等，巖體結(jié)構(gòu)各取樣位置巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，整體工程地質(zhì)條件較差。

表1　巖樣具體信息

圖1　巖石試樣

2測(cè)試設(shè)備及方法

2.1測(cè)試設(shè)備

巖樣元素分析采用上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心的日本島津XRF-1800掃描型X射線熒光光譜儀，X射線管選用銅靶，管壓為40 kV，管流70 mA，該儀器分析靈敏度高，分析元素(5硼-92鈾)范圍寬，試樣制作簡(jiǎn)單，多種元素同時(shí)分析，分析速度快，樣品在分析中不損壞。

巖樣礦物分析采用中科院上海硅酸鹽研究所的Bruker D8 Advance 多晶X射線粉晶衍射儀；X射線管選用銅靶，管壓為40 kV，管流40 mA，2θ角掃描范圍為4°～90°(全譜)；發(fā)散狹縫和防散射狹縫為1.0 mm，接收狹為0.1 mm，步長為0.03°/步，掃描速度為0.4 s/步。

2.2測(cè)試方法

2.2.1巖樣元素測(cè)試方法

(1)測(cè)試原理。一束能量足夠高的X射線光子撞擊物質(zhì)時(shí)，其組分元素原子的內(nèi)層電子被激發(fā)，軌道上形成空穴，此時(shí)原子處于不穩(wěn)定的激發(fā)狀態(tài)，外層高能級(jí)電子自發(fā)向內(nèi)層躍遷，同時(shí)會(huì)輻射出特征熒光X射線，X射線熒光光譜儀中的分光系統(tǒng)會(huì)將不同波長的特征熒光X射線分離出來。特征熒光X射線的波長λ與元素的原子序數(shù)Z符合莫斯萊定律，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為

(1)

式中,K和s為常數(shù)。由于不同元素的熒光X射線具有其特定波長，因此可以通過(1)式確定元素的種類。

元素?zé)晒釾射線強(qiáng)度Ii與巖樣中元素含量Wi成正比

(2)

Ii為100%時(shí)，該元素的熒光X射線強(qiáng)度，根據(jù)特征X射線熒光光譜的強(qiáng)度，由(2)式可得到元素的含量[4-5]。

圖2　正洞-2 X射線熒光光譜圖

(2) 測(cè)試方法。將壓環(huán)法制作好的巖樣放入X射線熒光光譜儀，儀器中X射線管產(chǎn)生的X射線照射到巖樣表面，激發(fā)出樣品元素的特征熒光X射線，分光系統(tǒng)將不同波長的特征熒光X射線分開，檢測(cè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)記錄不同的特征熒光X射線強(qiáng)度，得到2θ-熒光X射線強(qiáng)度關(guān)系曲線，即X射線熒光光譜圖，正洞巖樣-2的X射線熒光光譜圖如圖2所示。

2.2.2巖樣礦物成分測(cè)試方法

(1) 測(cè)試原理。絕大多數(shù)礦物屬于晶體，由于X射線具有穿透性，當(dāng)一束波長為λ的單色X射線以入射角θ投射到相鄰間距為d的平行原子面時(shí)，原子中的電子受激而同步振動(dòng)，振動(dòng)的電子作為新的輻射源向四周輻射與原入射X射線波長相同的次生X射線，當(dāng)相鄰晶面X射線輻射的光程差(2dsinθ)為波長的整數(shù)倍，且對(duì)任意取向的θ，角度滿足布拉格方程2dsinθ=nλ時(shí)，這兩條相鄰的X射線就會(huì)發(fā)生衍射。而不同物質(zhì)的晶格常數(shù)、面網(wǎng)間距及原子種類不同，即任何一種物質(zhì)都具有其特定的晶體結(jié)構(gòu)，在一定的X射線照射下，有其獨(dú)特的衍射譜線，以此確定巖樣中礦物種類。混合譜中各相的衍射強(qiáng)度與它們?cè)诨旌衔镏械暮砍烧?，故X射線衍射還可以進(jìn)行定量分析[6]。

圖3　正洞-2 X射線衍射圖

(2)巖樣礦物定性分析方法。首先，將制作好的巖樣放入衍射儀進(jìn)行全譜掃描得到巖樣的X射線衍射圖譜。然后，用MID-JADE軟件打開巖樣的X射線衍射圖譜，將X射線熒光光譜分析得到的主要元素輸入該軟件，限定巖樣中所含礦物的檢索范圍，將每種礦物的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜與掃描獲得的圖譜進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)二者滿足在相同的衍射角度都會(huì)出現(xiàn)衍射峰，且對(duì)應(yīng)的數(shù)目≧3時(shí)，可以確定巖樣中含有該礦物，圖3給出了正洞巖樣-2的X射線衍射圖及檢測(cè)出的礦物成分。最后，將檢索范圍內(nèi)礦物的標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜一一與掃描衍射圖譜進(jìn)行比對(duì)，確定巖樣中所含的主要礦物。

(3)巖樣礦物定量分析方法。X射線熒光光譜儀檢測(cè)出巖樣中含有的主要元素及含量，X射線衍射儀檢測(cè)出巖樣中的主要礦物，巖樣中主要的礦物包含了絕大部分元素含量。當(dāng)某種元素只存在于一種礦物中，如ZD-2中，鈉元素只存在于鈉長石中，則可以根據(jù)巖樣中檢測(cè)到的鈉元素含量確定出鈉長石在巖樣中的含量；鉀元素只存在于伊利石中，則可以根據(jù)巖樣中檢測(cè)到的鉀元素含量確定出伊利石在巖樣中的含量；當(dāng)某種元素存在于兩種或兩種以上的礦物中，如XJ-2中鐵元素和鎂元素存在于斜綠泥石和綠鈉閃石中，可根據(jù)這兩種元素的含量求出綠泥石和綠鈉閃石在巖樣中的含量[7]。

由表2可得，在正洞中，ZD-1、ZD-5巖樣各元素含量相近，ZD-2、ZD-3、ZD-4巖樣各元素含量相近，而前兩組巖樣與后三組巖樣的硅、鋁鉀元素含量有較大的差別，且正洞中五組巖樣所含礦物種類相同，元素含量直接影響礦物含量，所以正洞中各礦物含量會(huì)有較大變動(dòng)；平行導(dǎo)洞和一號(hào)斜井的各元素含量的波動(dòng)相對(duì)較小，故礦物含量的波動(dòng)也較小。

3測(cè)試結(jié)果及分析

3.1元素測(cè)試結(jié)果

通過X射線熒光光譜儀依次對(duì)正洞、斜井和平行導(dǎo)洞取回的15組巖石試樣進(jìn)行元素的定性和定量分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2　巖樣元素含量　%

巖樣中非金屬元素以O(shè)、Si為主，這兩種元素的均值在正洞、一號(hào)斜井、平行導(dǎo)洞中所占比例分別為73.1%、68.0%、66.9%；金屬元素以Al、Fe、Ca、Mg、K、Na為主，6種元素的均值在正洞、一號(hào)斜井、平行導(dǎo)洞中所占比例分別為26.9%、32.0%、33.1%，即正洞中非金屬元素含量高于一號(hào)斜井和平行導(dǎo)洞，金屬元素含量則低。一般而言，原子數(shù)量越多，元素在不斷遷移過程中結(jié)合形成礦物的機(jī)會(huì)就越多，即結(jié)合形成的礦物種類及含量就越多，因此根據(jù)所測(cè)巖樣中主要元素的含量，得出巖樣主要是由Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na等形成的氧化物和含氧鹽礦物；正洞處石英含量高于一號(hào)斜井和平行導(dǎo)洞，相應(yīng)的含氧鹽礦物含量要低；一號(hào)斜井和平行導(dǎo)洞的金屬和非金屬元素含量相近，如圖4所示，且取樣地點(diǎn)都位于長城系二云石英片巖區(qū)，因此這兩處的礦物種類及含量相近。

3.2巖石礦物成分測(cè)試結(jié)果

表3給出隧道三處取樣位置的礦物組成，得到的礦物主要有鈉長石、方解石、正長石、石英、綠鈉閃石、斜綠泥石、伊利石、鐵白云石。與設(shè)計(jì)中工程地質(zhì)勘察報(bào)告相比，正洞中增加了斜綠泥石和伊利石，一號(hào)斜井和平行導(dǎo)洞增加了斜綠泥石、伊利石、綠鈉閃石和方解石。三處取樣位置巖石所含礦物均檢測(cè)出了斜綠泥石和伊利石，這兩種礦物在遇水、風(fēng)化等條件下的工程性質(zhì)和石英、長石有較大的差異，使隧道在開挖后可能表現(xiàn)出軟巖大變形的特性。

表3　巖樣礦物組成

注：√為X射線衍射分析檢測(cè)出巖樣中所含礦物；●為工程地質(zhì)勘察報(bào)告給出的巖樣中所含礦物。

3.3巖石礦物含量測(cè)試結(jié)果及分析

利用巖樣中元素的含量計(jì)算得到巖樣中礦物含量，其計(jì)算過程如表4所示。X射線熒光光譜分析得到的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　正洞中巖樣-2的礦物含量計(jì)算

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

根據(jù)上述得到的各礦物相對(duì)含量，得出試樣中Al元素含量=15%×0.193+28.3%×0.28+9.2%×0.108=11.6%，而通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋁元素含量為10.6%，考慮到儀器誤差、采樣誤差、樣品制備過程中產(chǎn)生的誤差等，上述計(jì)算結(jié)果是合理的。通過元素含量依次計(jì)算各巖樣中的礦物含量，其結(jié)果如表5～表7所示。

表5　正洞礦物含量　%

表6　斜井礦物含量　%

表7　平行導(dǎo)洞礦物含　%

由表5～表7分析得出：正洞含有的主要礦物(含量≥10%)石英、鈉長石、伊利石，石英和長石的總含量為77.3%、斜綠泥石和伊利石的總含量為18.7%，鐵白云石的含量分別為8.0%。由于硅元素和鉀元素有較大的差別，因而石英和伊利石的含量有較大的波動(dòng)。

斜井含有的主要礦物為石英、鈉長石、綠鈉閃石和方解石，石英和長石的總含量為54.4%，斜綠泥石和伊利石的總含量為13.6%，綠鈉閃石和方解石的含量分別為23.0%、11.5%。斜井中各礦物含量波動(dòng)較小。

平行導(dǎo)洞含有的主要礦物為石英、鈉長石、斜綠泥石、綠鈉閃石、伊利石和方解石。石英和長石的總含量為42.7%，斜綠泥石和伊利石的總含量為24.2%，綠鈉閃石和方解石的含量分別為21.6%、11.4%。平行導(dǎo)洞中各礦物含量波動(dòng)較小。

斜井和平行導(dǎo)洞中伊利石和方解石的含量有較大差別，而其他礦物含量較接近；與正洞相比，斜井和平行導(dǎo)洞中石英、鐵白云石含量降低，斜綠泥石、綠鈉閃石、方解石的含量增加，綠鈉閃石、方解石、鐵白云石、斜綠泥石總含量分別為12.2%、45.6%、43.6%。

正洞、斜井和平行導(dǎo)洞的巖樣中都含有石英、長石、斜綠泥石和伊利石，但這4種礦物的含量差別較大。正洞、斜井和平行導(dǎo)洞中石英和長石總含量分別占77.3%、54.4%、42.7%，斜綠泥石、伊利石和方解石總含量分別占18.7%、22.6%、35.6%，與正洞相比，斜井和平行導(dǎo)洞中，石英和長石的含量在減小，伊利石、斜綠泥石和方解石的含量在增加。

與工程地質(zhì)勘察報(bào)告相比，正洞礦物增加了斜綠泥石、伊利石和鐵白云石，其總含量為26.7%；斜井礦物增加了斜綠泥石、綠鈉閃石、方解石和伊利石，其總含量為45.6%；平行導(dǎo)洞礦物增加了斜綠泥石、綠鈉閃石、伊利石和方解石，其總含量為57.2%，新增加的礦物所占比重較大，所以上述幾種礦物對(duì)圍巖工程性質(zhì)的影響是不可忽略的。

4礦物組成與圍巖的工程性質(zhì)的關(guān)系

本次試驗(yàn)針對(duì)給出的15個(gè)巖樣，通過X射線衍射分析得出巖石中含有的主要礦物為石英、長石、伊利石、綠鈉閃石、斜綠泥石、方解石，礦物組成、地下水等都對(duì)圍巖工程性質(zhì)有直接的影響。

4.1礦物對(duì)巖石強(qiáng)度的影響

從礦物成分角度分析圍巖的強(qiáng)度：礦物成分直接影響巖石的強(qiáng)度，一般硬度大的礦物含量愈高，則巖石的強(qiáng)度越高[8]，如石英、長石、綠鈉閃石等礦物；硬度小的礦物含量越低，巖石強(qiáng)度越低，如伊利石、斜綠泥石。對(duì)于整體塊狀巖石，巖石的強(qiáng)度直接決定了巖體的強(qiáng)度，巖石強(qiáng)度高，隧道開挖后，圍巖較易穩(wěn)定；而對(duì)于節(jié)理、巖層破碎的圍巖，巖石強(qiáng)度僅是影響巖體強(qiáng)度的部分因素。

從礦物含量的角度分析圍巖的強(qiáng)度：正洞、斜井和平行導(dǎo)洞中石英和長石的總含量分別為73.3%、54.4%、42.7%，斜井和平行導(dǎo)洞中綠鈉閃石的含量分別為23.0%和21.6%，所以正洞圍巖強(qiáng)度較高，斜井次之，平行導(dǎo)洞最小。

巖石中各種礦物分布并不是均勻的，礦物形成時(shí)受溫度、壓力等因素的影響，造成礦物組分分布呈現(xiàn)出規(guī)則的周期性，使得一些強(qiáng)度低、易風(fēng)化的礦物呈帶狀分布，地下洞室開挖以后，應(yīng)力重分布，受隧道斷面形狀的影響，在拱腳、拱腰等處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，巖石會(huì)從這些軟弱結(jié)構(gòu)面破壞。

4.2礦物影響巖石的風(fēng)化

從礦物成分角度分析圍巖的風(fēng)化：隧道施工過程中，受開挖方法、開挖進(jìn)尺、施工作業(yè)空間等因素的影響，初期支護(hù)不能及時(shí)施做，圍巖會(huì)長時(shí)間暴露在空氣中，由于圍巖受大氣、水、溫度等因素的影響，會(huì)加速其風(fēng)化的速度，使巖體原有裂隙增大。石英、長石的抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，而綠鈉閃石、方解石、鐵白云石、綠泥石的抗風(fēng)化能力較弱，抗風(fēng)化能力弱的礦物易風(fēng)化成粘土礦物，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。

從礦物含量角度分析圍巖的風(fēng)化：正洞、一號(hào)斜井、平行導(dǎo)洞中綠鈉閃石、方解石、鐵白云石、斜綠泥石總含量分別為12.2%、45.6%、43.6%，所以正洞處圍巖抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，斜井和平行導(dǎo)洞的抗風(fēng)化能力都較弱。因此，施工過程中，應(yīng)及時(shí)施做初期支護(hù)并使其閉合，縮短圍巖暴露時(shí)間。

4.3地下水、礦物與圍巖工程性質(zhì)的關(guān)系

水對(duì)礦物工程性質(zhì)的影響是多方面的，當(dāng)金山隧道位于高寒地區(qū)，季節(jié)性溫差較大，多年平均氣溫3.1 ℃，最冷月氣溫-13.1 ℃，由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石中礦物成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)構(gòu)造不均勻，使得巖石抗凍性較差[9]。

對(duì)于可溶性礦物方解石，在水流作用特別是當(dāng)水中含CO2時(shí)易溶解，為巖溶發(fā)育提供了條件，施工中可能會(huì)發(fā)生涌水、滲漏、塌陷等。斜井和平行導(dǎo)洞中方解石含量較高，達(dá)到11.5%和11.4%，因此隧道開挖前應(yīng)做好施工超前地質(zhì)預(yù)測(cè)[10]，掌握隧道掌子面前方的地質(zhì)條件。

伊利石、斜綠泥石等礦物成分，在遇水的條件下易軟化，造成圍巖的強(qiáng)度降低，且斜綠泥石隨時(shí)間的變形具有明顯的蠕變性質(zhì)[11]，且斜綠泥石吸水后，體積可膨脹10%～30%。正洞、斜井和平行導(dǎo)洞中這兩種礦物的含量較高，分別為18.7%、11.1%、24.2%，由于這兩種礦物的存在，隧道開挖后，由于受地下水和施工用水的影響，可能使圍巖產(chǎn)生較大的變形，可以采用合理的開挖方法、開挖進(jìn)尺和超前支護(hù)等措施減小圍巖的變形[12-13]。

巖石吸水飽和后強(qiáng)度都會(huì)降低，水沿著巖石的節(jié)理裂隙浸入，削弱了礦物顆粒彼此間的聯(lián)結(jié)力，使巖石抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度降低，因此，需要根據(jù)不同的地質(zhì)情況，制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，做好防止地下水侵入的措施，如采用井點(diǎn)降水、修筑排水坑道或向地層中注漿等措施；施工過程中，應(yīng)盡量減少施工用水。

4.4礦物與圍巖變形的關(guān)系

圖4　拱頂沉降曲線

隧道監(jiān)控量測(cè)的主要目的是保證隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定與施工安全。根據(jù)施工量測(cè)的結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值相比較，修正設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隧道內(nèi)圍巖拱頂沉降采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法，配備水準(zhǔn)儀、鋼掛尺或全站儀等儀器。圖4給出隧道巖石三個(gè)取樣位置處斷面拱頂下沉曲線。

由圖4可以得出，平行導(dǎo)洞、斜井、正洞拱頂最終沉降值為15.2 mm、10.7 mm、9.5 mm，即平行導(dǎo)洞拱頂沉降最大，斜井次之，正洞最小。根據(jù)圍巖礦物成分分析結(jié)果，圍巖中礦物成分及含量是影響圍巖拱頂沉降的重要因素之一，當(dāng)圍巖中硬度高的礦物含量較高時(shí)，如在正洞中，強(qiáng)度較高的石英和長石的含量較高，石英含量的增加會(huì)提高巖石的彈性模量和強(qiáng)度，隧道圍巖的變形就小些；而在斜井和平行導(dǎo)洞中，斜綠泥石和伊利石等硬度低的礦物含量相對(duì)高一些，這樣會(huì)降低巖石的彈性模量。結(jié)合表1，正洞處為Ⅲ級(jí)圍巖，巖石強(qiáng)度高，且采用臺(tái)階法開挖，因此圍巖變形較??；而斜井和平行導(dǎo)洞為Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖等級(jí)較差，巖石強(qiáng)度較低，故圍巖變形較大。

礦物種類及含量是影響圍巖工程性質(zhì)及穩(wěn)定性的內(nèi)部因素，圍巖的工程性質(zhì)和穩(wěn)定性還受很多外部因素的影響，如隧道的開挖方法，斷面形狀等，要想真正掌握圍巖的工程性質(zhì)，維護(hù)圍巖的穩(wěn)定，應(yīng)考慮開挖方法、初始地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地下水等因素的綜合作用結(jié)果。

5結(jié)論

利用X射線熒光光譜儀和多晶X射線粉末衍射儀檢測(cè)出了圍巖中元素與礦物的成分與含量，定性和定量分析礦物對(duì)圍巖工程性質(zhì)的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 巖樣中含有的主要元素為氧、硅、鈣、鐵、鎂、鉀、鈉，正洞、斜井和平行導(dǎo)洞中非金屬元素的含量要遠(yuǎn)高于金屬元素的含量，正洞中的非金屬元素含量高于平行導(dǎo)洞和斜井。

(2)不同取樣地點(diǎn)巖樣所含礦物成分不同，正洞含有的主要礦物石英、鈉長石、伊利石，斜井含有的主要礦物為石英、鈉長石、綠鈉閃石和方解石，平行導(dǎo)洞中含有的主要礦物為石英、鈉長石、斜綠泥石、綠鈉閃石、伊利石和方解石。與正洞相比，斜井和平行導(dǎo)洞處的石英和長石的含量減少，而斜綠泥石和伊利石含量增加。

(3)圍巖中礦物成分及含量是影響圍巖拱頂沉降的重要因素之一，當(dāng)隧道正洞圍巖中硬度高的礦物含量較高時(shí)，隧道圍巖的變形就小些；而在斜井和平行導(dǎo)洞中，斜綠泥石和伊利石等硬度低的礦物含量相對(duì)高一些，導(dǎo)致斜井和平行導(dǎo)洞處圍巖變形較大。

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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

作者簡(jiǎn)介：高紅紅(1988-)，女，碩士研究生，主要從事巖土工程與地下結(jié)構(gòu)工程的研究。E-mail:sdlylsghh@163.com

收稿日期：2014-11-11責(zé)任編輯:車軒玉

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.05

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