方解石的形成機(jī)制及其在巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

任昌真，史友海，何 宇

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司貴廣鐵路工程指揮部，貴州都勻 558000;2.中鐵西南科學(xué)研究院，成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的隧道修建在巖溶地區(qū)。在巖溶地區(qū)，隧道施工存在風(fēng)險(xiǎn)高、費(fèi)用高、施工難度大等特點(diǎn)，在巖溶隧道中做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作顯得尤為重要。

有關(guān)巖溶隧道的預(yù)報(bào)方法，現(xiàn)在業(yè)界比較統(tǒng)一的共識(shí)是采用綜合法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［1］。劉志剛的斷層參數(shù)法［2］，葉英利用地震波的角度偏移和位置偏移的聯(lián)合體系［3］，何發(fā)亮采用的聲學(xué)法和地質(zhì)法聯(lián)合預(yù)報(bào)方法［4］等也都在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中進(jìn)行了應(yīng)用。

本文提出的觀點(diǎn)是根據(jù)巖體裂隙中方解石的產(chǎn)狀及變化特征來(lái)推測(cè)前方的地質(zhì)情況。目前關(guān)于方解石的研究主要應(yīng)用于礦物方面，如通過(guò)對(duì)方解石中稀土元素等特征及其指示意思的研究判斷礦床的形成與有機(jī)物的關(guān)系［5］;對(duì)其成巖環(huán)境進(jìn)行研究有助于尋找需要的礦物組合［6］;對(duì)方解石礦床地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析判別其構(gòu)造成因［7］等。

在巖土工程領(lǐng)域，目前對(duì)方解石的力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力特征研究較少，然而作為施工過(guò)程中的常見礦物，筆者認(rèn)為對(duì)其進(jìn)行研究是有一定價(jià)值的，通過(guò)方解石的產(chǎn)出特征分析其與巖體或地質(zhì)構(gòu)造體的關(guān)系，對(duì)前方巖體做出預(yù)報(bào)。本文通過(guò)對(duì)方解石在巖溶隧道中的特征變化進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，希望能引起同仁的關(guān)注，在這方面做出更加深入的探討。

1 方解石概述及其形成機(jī)制

方解石是自然界中一種常見的礦物，化學(xué)成分為碳酸鈣，系沉積碳酸鹽類巖石的主要組成部分，關(guān)于碎屑巖中方解石等碳酸鹽礦物溶解-沉淀對(duì)于次生孔隙的生成和破壞的影響，目前已經(jīng)取得了一系列的成果與認(rèn)識(shí)，但絕大部分認(rèn)識(shí)依然停留在定性研究階段。

方解石的母巖是石灰?guī)r，在各種地質(zhì)作用中均能形成，方解石的形成一般是沉積作用，有大氣降水成因，也有火山熱液作用沉積的［8］。方解石是自然界分布最廣的礦物之一，具有各種不同的成因類型。其形成類型主要有沉積型、熱液型、巖漿型，形成反應(yīng)式為Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2。

2 方解石在巖溶隧道中的產(chǎn)出特點(diǎn)

在巖溶隧道中，由于碳酸鹽的沉積環(huán)境經(jīng)?？梢姺浇馐貙用婊蚬?jié)理裂隙以脈狀、條帶狀或團(tuán)塊狀的形式出露，在各種不同的構(gòu)造環(huán)境中其發(fā)育特征各不相同［9］，結(jié)合地質(zhì)學(xué)理論知識(shí)及現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果大致可歸納出以下幾點(diǎn)。

2.1 溶蝕作用發(fā)育時(shí)方解石的產(chǎn)出特點(diǎn)

地下水和地表水相結(jié)合，對(duì)以碳酸鹽巖為主的可溶性巖石的化學(xué)溶解和侵蝕作用，稱為溶蝕作用［10］。溶蝕是一種很普遍的現(xiàn)象，其表現(xiàn)形式是多樣化的，是造成巖溶地貌形態(tài)多樣化的原因。

方解石的化學(xué)成分主要為CaCO3，本身具有可溶性。在存在二氧化碳和水的條件下，方解石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成易溶于水的碳酸氫鈣，即方解石的溶蝕作用，這種作用在自然界中以各種形式普遍存在［10-11］。

在碳酸鹽巖石中，影響溶蝕速度的主要因素是巖石的物質(zhì)成分，其中方解石和白云石是碳酸鹽巖中的主要礦物成分。在相同的條件下，方解石的溶蝕速度大于白云石，在白云巖較發(fā)育的隧道中，溶蝕裂隙往往發(fā)育在方解石表面［11］。

2.2 斷層破碎帶發(fā)育時(shí)方解石的產(chǎn)出特點(diǎn)

巖石在斷裂變形階段產(chǎn)生的構(gòu)造通稱為斷裂構(gòu)造，凡兩側(cè)巖塊沿?cái)嗔衙姘l(fā)生顯著位移的斷裂構(gòu)造稱為斷層。當(dāng)斷層兩盤相對(duì)位移時(shí)，垂直位移方向的一些斷口上會(huì)出現(xiàn)小空隙，淋濾到小空隙中的溶液成分中若含CaCO3則析出結(jié)晶成方解石晶體，隨著位移不斷進(jìn)行，空隙不斷增大，晶體沿著空隙增大的方向不斷增長(zhǎng)，最終形成纖維狀晶體。纖維狀晶體的延伸方向，指示了斷層兩盤相對(duì)位移方向。因此，方解石含量的突然增加“有可能”說(shuō)明了斷層的存在。

根據(jù)產(chǎn)生的力學(xué)性質(zhì)，斷層可分為壓性斷層、張性斷層和扭性斷層，本文主要討論方解石在壓性和張性斷層中的產(chǎn)出特點(diǎn)。

發(fā)育完整的壓性斷層通常由主干斷層帶、斷層破碎帶和斷層影響帶組成。其中，主干斷層帶多為斷層泥和糜棱巖。由于主干斷層帶附近裂隙增多，通常情況下方解石沿裂隙發(fā)育成櫛狀或脈狀，形成方解石團(tuán)塊或方解石條帶。受到斷層作用，方解石發(fā)生破碎、混雜、彎曲、揉皺等變化，部分方解石受到斷層強(qiáng)烈破碎塑變作用糜棱化，研磨成粉粒，使細(xì)小的碎粒處在塑性流變狀態(tài)下而呈定向排列。

張性斷層主干斷層帶由張裂角礫巖組成，角礫棱角顯著、大小不一、一般無(wú)定向排列，角礫的成分與斷層兩盤的成分相同，一般具有良好的導(dǎo)水特性。張性斷層主干斷層兩側(cè)破碎帶巖體破碎，方解石在張性斷層中主要表現(xiàn)出在主干斷層兩側(cè)較破碎，呈碎粒狀，而在主干斷層帶中呈角礫化產(chǎn)出的特征。

通常情況下，一條主干斷層是經(jīng)過(guò)多時(shí)期多種應(yīng)力狀態(tài)綜合多次力學(xué)作用形成的產(chǎn)物，主干斷層附近往往伴有不同受力結(jié)構(gòu)的次級(jí)斷層。因此，在斷層帶附近觀察到的方解石經(jīng)常是既具有壓性斷層的碾壓特征，又包含張性斷層的拉張?zhí)卣鳌?/p>

2.3 地下水發(fā)育時(shí)方解石的產(chǎn)出特點(diǎn)

在隧道施工過(guò)程中經(jīng)常遇到地下水，常見的地下水出露類型有巖溶水、構(gòu)造裂隙水和基巖裂隙水。

若施工中揭穿孤立充水巖溶，則涌水量在穩(wěn)定一定時(shí)間后多呈現(xiàn)下降趨勢(shì)直至枯竭，地下巖溶多具連通性，特別是地下巖溶與地表巖溶、地表河流相連通時(shí)，隧道內(nèi)揭穿巖溶涌水量大、時(shí)間長(zhǎng)，且涌水量變化與地面大氣降雨有直接的聯(lián)系。

方解石常常發(fā)育在碳酸鹽環(huán)境中，在灰?guī)r發(fā)育地區(qū)經(jīng)常伴生有方解石，且方解石多沿巖層層理或節(jié)理、斷層等形成的裂隙發(fā)育，加上其自身具有可溶性，故在地下水發(fā)育地區(qū)，方解石含量與地下水出露數(shù)量往往呈正相關(guān)關(guān)系，即方解石含量增多的地區(qū)通常有較多的地下水發(fā)育。

3 某隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)工程實(shí)例

3.1 巖溶預(yù)報(bào)

巴岳山隧道為在建成渝復(fù)線上的一座長(zhǎng)大隧道，全長(zhǎng)3 km，隧址區(qū)穿越地層巖性有灰?guī)r、白云巖、砂巖以及頁(yè)巖等，可溶巖占到50%以上，施工中可能遇到巖溶及地下水等災(zāi)害。

當(dāng)隧道掘進(jìn)至DK35+820時(shí)，巖性為淺灰色白云質(zhì)灰?guī)r夾灰白、淺灰色白云巖，局部表面為褐紅色，圍巖以中厚層夾薄層產(chǎn)出，地下水發(fā)育，拱頂見多處點(diǎn)線狀流水，右側(cè)拱腰位置見一股狀流水。

繼續(xù)掘進(jìn)后發(fā)現(xiàn)掌子面及邊墻方解石含量明顯增多，多沿巖層順層產(chǎn)出，局部以脈狀形式發(fā)育，方解石晶型較好，呈塊狀產(chǎn)出，玻璃光澤，晶體完整，表面光滑，無(wú)明顯構(gòu)造跡象，與巖層結(jié)合較好。

設(shè)計(jì)上該段處于Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域，物探法采用TSP進(jìn)行了地震波探測(cè)，分析結(jié)果中DK35+790、DK35+765出現(xiàn)數(shù)值異常。

當(dāng)開挖至DK35+795里程時(shí)掌子面發(fā)育一溶洞，溶洞寬約9 m、高約5 m、深約20 m，向掌子面中部及右側(cè)遂底延伸，溶洞內(nèi)充填少量礫石及碎石塊，并有大量方解石晶體沿洞壁產(chǎn)出(見圖1)。

圖1 溶洞發(fā)育照片F(xiàn)ig.1 Picture of karst cave

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)跟蹤調(diào)查，及時(shí)指出了前方可能發(fā)育的災(zāi)害地質(zhì)情況，提前采取預(yù)防措施，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 斷層及地下水預(yù)報(bào)

三都隧道為在建貴廣線上的一座長(zhǎng)大隧道，全長(zhǎng)14.6 km，根據(jù)勘察設(shè)計(jì)文件，隧道集中了斷層、褶皺、巖溶、高地應(yīng)力、富水等多種不良地質(zhì)現(xiàn)象，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，屬于Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道主要穿越白云巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖等地層，可溶巖占隧道總長(zhǎng)的70%以上，隧區(qū)范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，地表多見漏斗、泉點(diǎn)以及暗河出口，洞身大部分段落位于水平循環(huán)帶內(nèi)，隧道施工時(shí)易發(fā)生突水突泥地質(zhì)災(zāi)害。

當(dāng)三都隧道1#橫洞施工至DK130+620里程時(shí)，巖性為深灰色薄至中厚層灰?guī)r與乳白色方解石呈條帶狀產(chǎn)出，方解石呈纖維狀產(chǎn)出，玻璃光澤，晶體不完整，條帶厚0.1～0.3 m，方解石形態(tài)以“T”字形產(chǎn)出，與巖層緊密結(jié)合。方解石表面可見受錯(cuò)動(dòng)影響形成的擦痕，部分方解石受構(gòu)造擠壓呈現(xiàn)糜棱化現(xiàn)象，巖質(zhì)軟，穩(wěn)定性較差。掌子面地質(zhì)素描及跟蹤調(diào)查照片如圖2和圖3所示，其中充填區(qū)域?yàn)榉浇馐l(fā)育區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析可知目前掌子面巖石中有少量斷層跡象，設(shè)計(jì)情況為在前方里程DK130+250處發(fā)育一區(qū)域性的壓性斷層，帶內(nèi)物質(zhì)為斷層角礫及斷層角礫巖。結(jié)合設(shè)計(jì)和物探情況分析目前已經(jīng)進(jìn)入壓性斷層的外帶，推測(cè)前方隨著掘進(jìn)深入巖體將變破碎，并伴有地下水出露，穩(wěn)定性較差，易滑塌掉塊。

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示掌子面及邊墻巖層中方解石含量明顯增多，其具體統(tǒng)計(jì)見表1。方解石多與層面平行產(chǎn)出，局部以櫛狀、脈狀的形式充填于巖體裂隙中。圍巖較破碎至破碎，局部可見擠壓錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，地下水含量明顯增多，以雨淋狀及小股狀的形式出露。

本段采用了TSP作為物探方法，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果(見圖4)判斷:前方120 m(DK130+620～+500)圍巖總體較破碎，局部破碎，受構(gòu)造作用部分地段發(fā)育長(zhǎng)大不利結(jié)構(gòu)面及斷層破碎帶，并伴有溶蝕裂隙發(fā)育其中，圍巖穩(wěn)定性總體較差至差，地下水總體較發(fā)育至發(fā)育。本測(cè)段主要以防止拱頂圍巖失穩(wěn)、坍塌掉塊及掌子面的突水突泥為主。

表1 方解石形態(tài)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of calcite forms

圖4 TSP測(cè)試成果圖片F(xiàn)ig.4 TSP prediction results

由圖4可知，DK130+580以后縱波速度降低，表明巖體中裂隙度增加，圍巖變破碎。

根據(jù)開挖驗(yàn)證在DK130+560里程位置進(jìn)入主干斷層區(qū)域，與設(shè)計(jì)上有一定距離的誤差。斷層帶內(nèi)巖體破碎，主干斷層帶附近發(fā)育糜棱巖和斷層泥。掘進(jìn)至DK130+580附近地下水較發(fā)育，拱頂位置地下水多以淋雨?duì)钪列」蔂畹男问匠雎丁?/p>

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤地質(zhì)調(diào)查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了方解石含量的變化及構(gòu)造形跡的出現(xiàn)，為下一階段的施工提出了針對(duì)性的意見，為順利通過(guò)斷層帶打下了良好的基礎(chǔ)。

3.3 涌水預(yù)報(bào)

三都隧道2#橫洞至出口段長(zhǎng)3.2 km，2#橫洞進(jìn)口段及出口段為泥巖、頁(yè)巖、砂巖等沉積巖地層，橫洞及出口中部穿越由碳酸巖組成的向斜核部區(qū)域，存在涌水涌泥風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，決定在非可溶巖區(qū)域采用一種物探手段進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，在可溶巖區(qū)域采用“長(zhǎng)距離和短距離相結(jié)合，物探和鉆探相結(jié)合”的綜合方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。在具體的實(shí)施過(guò)程中，物探上采用了地震波法進(jìn)行長(zhǎng)距離控制性預(yù)報(bào)，地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離精確復(fù)核預(yù)報(bào);再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的跟蹤地質(zhì)調(diào)查和超前水平鉆探對(duì)前方巖體進(jìn)行綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)。

當(dāng)掘進(jìn)至DK135+559時(shí)進(jìn)行了TSP測(cè)試，當(dāng)時(shí)掌子面巖性為淺灰、灰白色白云質(zhì)灰?guī)r，巖石以薄至中厚層狀產(chǎn)出，巖石中發(fā)育方解石條帶和方解石團(tuán)塊，方解石條帶單層厚0.2～0.4 m，巖體總體較破碎，局部破碎，巖體自穩(wěn)能力一般。地下水較發(fā)育，拱頂見多處點(diǎn)線狀滴水。TSP測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 TSP探測(cè)結(jié)果表Table 2 Prediction results of TSP

隨著隧道掘進(jìn)，跟蹤地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)方解石由較完整狀態(tài)逐漸變化為受到擠壓破碎的松散碎裂狀，局部有受到斷層錯(cuò)動(dòng)影響的糜棱化跡象，方解石的晶體形態(tài)主要為鐘乳狀、纖維狀等，與巖層的填充關(guān)系由層間充填、條帶狀充填變化為不規(guī)則的脈狀、帶狀充填;方解石含量有沿邊墻增多的趨勢(shì)，地下水較前段發(fā)育，出水形式以雨淋狀至小股狀為主。方解石充填情況見圖5。

據(jù)此情況，在TSP異常部位DK135+520～+470段連續(xù)施作地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，其中對(duì)DK135+508掌子面進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為掌子面前方DK135+508～+503段巖體整體較完整，局部含方解石巖脈及塊，局部較溶蝕破碎。DK135+503、DK135+499、DK135+497、DK135+488 推測(cè)為溶蝕裂隙發(fā)育，有巖溶裂隙水流。地層雷達(dá)探測(cè)及解譯如圖6和圖7所示。

按照地質(zhì)調(diào)查及物探綜合結(jié)論，在DK135+508掌子面施作5個(gè)水平鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果，在鉆探過(guò)程中有大量地下水順鉆孔涌出，涌水量最大時(shí)約為2 000 m3/h。通過(guò)各種資料綜合分析，該涌水是由前方斷層破碎帶連接巖層中的溶蝕裂隙造成的，通過(guò)地質(zhì)預(yù)報(bào)提前探知了這一涌水風(fēng)險(xiǎn)，避免了人員傷亡及機(jī)具損失。

4 結(jié)論與體會(huì)

1)在隧道施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)掌子面及邊墻方解石含量的變化以及其產(chǎn)出特點(diǎn)的研究，從而推測(cè)前方可能遇到的地質(zhì)情況，屬于地質(zhì)法里面的趨勢(shì)前兆法。通過(guò)本文實(shí)踐證明這一方法確有應(yīng)用價(jià)值，若能長(zhǎng)期跟蹤統(tǒng)計(jì)調(diào)查再結(jié)合物探結(jié)果綜合分析，可以較準(zhǔn)確地推斷出前方的異常地質(zhì)體性質(zhì)，尤其對(duì)巖溶隧道通過(guò)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域能起到較好的施工指導(dǎo)作用。

2)目前的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是以地質(zhì)法為基礎(chǔ)，以物探和鉆探為手段進(jìn)行的。在實(shí)際的預(yù)報(bào)工作中切不可忽略現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)的變化，若未注意到巖性、產(chǎn)狀的改變則有可能導(dǎo)致預(yù)報(bào)的失敗，故在預(yù)報(bào)工作中不能一味注重于對(duì)物探結(jié)果的分析，要將物探結(jié)果和地質(zhì)情況綜合分析，合理判釋，才能做出較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

3)在地質(zhì)學(xué)上，通過(guò)對(duì)微觀現(xiàn)象的歸納分析來(lái)判斷宏觀地質(zhì)構(gòu)造，是有理論基礎(chǔ)的，也是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)上常用的一種研究方法。具體到不同的地質(zhì)環(huán)境中其研究方法手段各異，但總體思路是一致的，與哲學(xué)上的量變引起質(zhì)變有相似之處。

4)本文旨在提出這樣一種觀點(diǎn)，即根據(jù)自然界中的一種常見的物體或者現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，觀察其在不同環(huán)境下的變化特征，通過(guò)不同地區(qū)、不同構(gòu)造環(huán)境下的對(duì)比來(lái)進(jìn)行一系列歸類統(tǒng)計(jì)。當(dāng)然，不是所有地區(qū)其變化特征都相似，但見微知著，若能通過(guò)某種地質(zhì)體顯著的變化結(jié)合物探異常來(lái)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，如通過(guò)某種現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)斷層或巖溶能起到指示或提示作用，則能大大提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性;如方解石多充填于巖體的裂隙中，在隧道施工中常見這一礦物，若能對(duì)其加以深入研究通過(guò)在不同環(huán)境下呈現(xiàn)的不同特征結(jié)合物探資料來(lái)推斷前方的異常地質(zhì)現(xiàn)象，則預(yù)報(bào)的精確度要較純粹通過(guò)物探分析高出許多。然而，目前關(guān)于這方面的研究主要停留在定性研究階段，在巖土工程領(lǐng)域還沒(méi)有將其進(jìn)行定量分析研究用于地質(zhì)預(yù)報(bào)的做法;學(xué)術(shù)界目前對(duì)方解石的應(yīng)用研究總體用于探礦較多，用于巖土工程較少，還需要在以后的工作實(shí)踐中不斷完善豐富，形成一套適用于巖土工程的應(yīng)用系統(tǒng)。

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