廣西桂北硅化巖三元結(jié)構(gòu)模型研究及其工程地質(zhì)意義

李志青

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

廣西桂北山區(qū)發(fā)育的資新斷裂，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)過(guò)多種構(gòu)造作用形成其特有的巖層標(biāo)志——硅化巖。其獨(dú)特的巖石性質(zhì)對(duì)該地區(qū)地貌的形成起到了關(guān)鍵作用，并影響了關(guān)聯(lián)地層的主要工程地質(zhì)特性，間接的成為該地區(qū)多種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)硅化巖的研究主要集中于地球化學(xué)特征、構(gòu)造意義上的分布特征及沉積環(huán)境分析，或者僅是施工技術(shù)應(yīng)對(duì)等。而對(duì)硅化巖影響其關(guān)聯(lián)地層的物理性質(zhì)研究較少，而人類建設(shè)工程主要受巖層的物理性質(zhì)影響。

通過(guò)桂北某高速公路的勘察以及施工期間的災(zāi)害預(yù)防與處置工作期間，在前人的研究基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)的從硅化巖的形成歷史分析及現(xiàn)場(chǎng)綜合勘察手段驗(yàn)證總結(jié)出目前該地區(qū)的地貌形態(tài)成因以及受其影響的關(guān)聯(lián)地層工程地質(zhì)特性，對(duì)該地區(qū)工程勘察、設(shè)置及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防與處置提出了較為穩(wěn)妥的建議。目前，該高速公路已建成通車，效果良好。

1 概 況

廣西資源(梅溪)至興安高速公路項(xiàng)目是國(guó)家高速公路網(wǎng)絡(luò)中，呼北高速(呼和浩特—北海)公路的組成部分。整個(gè)線路地域內(nèi)屬桂林市的轄區(qū)范圍，項(xiàng)目起點(diǎn)位于資源縣梅溪鄉(xiāng)，接湖南洞口至新寧高速公路；終點(diǎn)位于興安縣嚴(yán)關(guān)鎮(zhèn)，接泉南高速公路興安至桂林段。

線路區(qū)域位于江南地軸南緣與湘桂褶皺帶交匯處，為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和南華準(zhǔn)地臺(tái)的過(guò)渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造特征具有揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和南華準(zhǔn)地臺(tái)的兩重性。在同一種構(gòu)造條件和構(gòu)造力的作用下，經(jīng)過(guò)加里東、印支、燕山三次劇烈的褶皺斷裂運(yùn)動(dòng)，路線走廊區(qū)域內(nèi)形成的褶皺和斷裂展布基本呈北北東向構(gòu)造。而項(xiàng)目中所遇到的資新斷裂便是在如此的地質(zhì)背景中形成。路線在資源縣境內(nèi)主要沿資新斷裂行走。

2 硅化巖的歷史形成及其特性

2.1 硅化巖的歷史形成

根據(jù)《中華人民共和國(guó)區(qū)域地質(zhì)報(bào)告—城步幅》研究結(jié)果揭示，硅化巖的歷史形成主要經(jīng)歷了震旦紀(jì)的沉積時(shí)期，寒武紀(jì)—志留紀(jì)的硅化變質(zhì)時(shí)期。

硅化巖原巖為板巖，在加里東期巖漿伴隨著強(qiáng)烈褶皺侵入以及資新斷裂的活動(dòng)過(guò)程，使原有板巖構(gòu)成了該地區(qū)越城嶺斷褶帶的東翼。而在該段巖漿活動(dòng)時(shí)期，伴隨著熱液作用，完成了從板巖到硅化巖的變質(zhì)過(guò)程。硅化巖沿資新斷裂分布(見圖1)，是越城嶺花崗巖體與白堊系沉積盆地的分界，其與資興高速在資源段走向基本一致。

圖1 越城嶺斷褶帶地質(zhì)構(gòu)造

2.2 硅化巖的主要特性

在上述構(gòu)造作用下，形成了目前的硅化巖(見圖2)，青灰色—灰白色，成分以石英為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整，主結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀310(°)∠30(°)。選取資興高速K24附近鉆孔巖芯進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)測(cè)定：其單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)188.9 MPa，屬于很強(qiáng)級(jí)別巖石強(qiáng)度；粘聚力及摩擦角分別為65 kPa、30(°)[1]。上述性狀表明硅化巖致密，強(qiáng)度大，極其堅(jiān)硬；正因?yàn)楣杌瘞r具有較好的巖石指標(biāo)，不易在自然作用下風(fēng)化，使其在后期的地殼運(yùn)動(dòng)中控制了該地區(qū)白堊系沉積盆地的分布。

圖2 硅化巖鉆探取芯

3 硅化巖對(duì)關(guān)聯(lián)地層的影響

選取資興高速K14+700處作為典型斷面對(duì)硅化巖附近地層做高密度電法測(cè)試，得到高密度電法反演成果并對(duì)其進(jìn)行分區(qū)。按照地層空間位置分別劃分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ個(gè)區(qū)域代表硅化巖關(guān)聯(lián)地層的三元結(jié)構(gòu)模型。其中Ⅰ區(qū)主要指加里東期花崗巖，其影響了硅化巖的形成，反過(guò)來(lái)，硅化巖影響了其風(fēng)化程度；Ⅱ區(qū)主要指硅化巖；Ⅲ區(qū)在反演圖上表示為礫巖，這是由于本研究區(qū)域主要與硅化巖接觸的地層為白堊系的砂礫巖，但Ⅲ區(qū)并不僅僅代表白堊系地層，按照歷史成因分析，其可包括硅化巖形成之后出現(xiàn)的自石炭系到第四系以來(lái)的各類地層(見圖3)。

圖3 三元結(jié)構(gòu)模型

3.1 三元結(jié)構(gòu)模型中地下水分布特征

該區(qū)域地下水主要由大氣降水補(bǔ)給，在三元結(jié)構(gòu)模型中地下水的來(lái)源由大氣降水及越城嶺基巖裂隙水側(cè)向補(bǔ)給構(gòu)成。由于硅化巖致密、相對(duì)隔水的特性[2]，造成該結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)形成了不同的地下水影響類型(圖4)。在Ⅰ區(qū)，由于硅化巖的隔水作用，致使地下水在硅化巖與花崗巖交界處流動(dòng)迅速衰減，造成相對(duì)富水；在Ⅲ區(qū)，由于地下水通過(guò)沉積巖層下滲至硅化巖面，造成大量地下水沿硅化巖面排泄，形成一排泄通道，相較遠(yuǎn)離硅化巖面地層富水。

圖4 地下水徑流示意

從圖4可知，三元結(jié)構(gòu)模型中水流排泄模式共有3種。①地表徑流排泄模式：主要由大氣降水補(bǔ)給，直接從地表排泄；②地表徑流、地表下滲排泄模式：主要由大氣降水補(bǔ)給，從山體流至硅化巖西側(cè)后下滲，沿硅化巖面排泄；③地表徑流、地表下滲匯集模式：主要由大氣降水、越城嶺基巖裂隙水補(bǔ)給，大氣降水從山體硅化巖東側(cè)直接下滲形成越城嶺基巖裂隙水后于硅化巖與花崗巖交界處匯集。主要泉水等巖層側(cè)向徑流模式排泄。

3.2 硅化巖對(duì)越城嶺花崗巖的影響

加里東期侵入巖，當(dāng)巖體侵入后尚未凝固，貓兒山主體隨之侵入，伴隨強(qiáng)烈的褶皺運(yùn)動(dòng)，使靠近硅化巖(即資新斷裂)附近的花崗巖呈片麻狀構(gòu)造。在三元結(jié)構(gòu)模型中，其下伏于硅化巖，對(duì)硅化巖的硅化過(guò)程提供了熱量及物質(zhì)基礎(chǔ)。

從圖3中可判釋出：在硅化巖下部一定深度的花崗巖電阻率在750～3 000 Ω·m之間，而同類型花崗巖其上部未有硅化巖存在時(shí)(以同禾隧道進(jìn)口為例，其高程以及測(cè)深類似，硅化巖東側(cè)約1 000 m)電阻率缺在3 000～6 000 Ω·m之間(見圖5)。這說(shuō)明硅化巖的存在對(duì)下伏的花崗巖起到促進(jìn)風(fēng)化作用[3]。

圖5 同禾隧道加里東期花崗巖電阻率成果

綜合硅化巖特性分析，硅化巖致密導(dǎo)致其為相對(duì)隔水層，導(dǎo)致越城嶺向白堊系盆地排泄的地下水在硅化巖后呈聚集形態(tài)。長(zhǎng)時(shí)期的富水狀態(tài)導(dǎo)致有硅化巖上覆的花崗巖層風(fēng)化程度要高于無(wú)硅化巖上覆的花崗巖。

3.3 硅化巖對(duì)沉積地層的影響

石炭系、白堊系地層均上覆于硅化巖，呈不整合接觸。石炭系主要以炭質(zhì)頁(yè)巖為主，白堊系主要以砂巖、礫巖為主，泥鈣質(zhì)膠結(jié)[4]。

從圖3可判釋出：三元結(jié)構(gòu)模型中Ⅲ區(qū)白堊系礫巖的電阻率在200～600 Ω·m之間，而遠(yuǎn)離硅化巖同屬白堊系礫巖(以大石山隧道為例，硅化巖西側(cè)約500 m)的電阻率在300～1 000 Ω·m之間(見圖6)。

圖6 大石山隧道白堊礫巖電阻率成果

在資興高速施工期間，位于K3～K5段落的單面山部分挖方段落多次發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害：K3+500段落分別于2014年及2015年雨季發(fā)生開裂及滑塌；K4+500段落于2015年10月及11月發(fā)生滑塌；其主要表現(xiàn)為挖方邊坡未完全的清除Ⅲ區(qū)地層，導(dǎo)致該類地層在暴雨的誘發(fā)下發(fā)生滑塌現(xiàn)象。并且重復(fù)性很高，最終將該類地層全部清除，直接將挖方邊坡置于硅化巖面后才完成治理工作。

綜合上述現(xiàn)場(chǎng)成果分析認(rèn)為：硅化巖其穩(wěn)定的化學(xué)特性，致使后期的沉積地層均未能與硅化巖形成穩(wěn)固的地層形態(tài)，其屬于相對(duì)隔離狀態(tài)；硅化巖相對(duì)隔水的特性造成大量降雨從硅化巖面與沉積地層之間滲入，并在硅化巖面形成水流通道，水流的作用對(duì)富含粘土礦物的Ⅲ區(qū)地層產(chǎn)生了破壞，致使靠近硅化巖的地層力學(xué)性質(zhì)較差[5]。

綜合對(duì)三元結(jié)構(gòu)模型地下水分布特征及對(duì)Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)的影響分析，可判斷出：正是由于硅化巖的作用才造就了該模型的存在，通過(guò)其自身的巖石特性，改變了局部地下水徑流模式，造成Ⅰ區(qū)花崗巖及Ⅲ區(qū)硅化巖接觸帶工程地質(zhì)條件較同類型地層差。這對(duì)該區(qū)域工程設(shè)置及地質(zhì)災(zāi)害分布產(chǎn)生了較大影響。

4 影響及建議

工程類型的設(shè)置要與場(chǎng)地工程地質(zhì)條件相匹配，否則易引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害或造成工程投資浪費(fèi)。在調(diào)查訪問過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)睾芏嗝窬有藿ㄓ诠杌瘞r與白堊系地層交界處，由于Ⅲ區(qū)地層力學(xué)性質(zhì)較差，致使在雨期部分房屋發(fā)生開裂、基礎(chǔ)破壞等現(xiàn)象，給當(dāng)?shù)鼐用裨斐扇松戆踩{及巨大經(jīng)濟(jì)損失。資興高速在設(shè)計(jì)階段便將此模型工程地質(zhì)條件充分考慮，但由于線型控制及施工因素，在建設(shè)期間發(fā)生了多次工程變更。通過(guò)三元結(jié)構(gòu)模型特征分析，針對(duì)各類工程特點(diǎn)提出應(yīng)對(duì)方案，從而保證工程建設(shè)安全及投資控制。

1)隧道工程應(yīng)在遠(yuǎn)離該結(jié)構(gòu)模型地層中設(shè)置。Ⅰ區(qū)相對(duì)富水及風(fēng)化程度較高，隧道施工時(shí)易遇到圍巖差、涌水量大等不利條件，并容易造成Ⅰ區(qū)匯集的地下水沿隧道排泄，破壞原有地下水徑流模式，造成當(dāng)?shù)鼐用裆钏萌萁摺＂髤^(qū)靠近硅化巖面地層力學(xué)性質(zhì)較差且存在地下水排泄通道，隧道施工時(shí)易出現(xiàn)圍巖極差、暴雨時(shí)期涌水量極大等不利條件。

2)橋梁工程設(shè)置應(yīng)查明地層界限及風(fēng)化程度。Ⅰ區(qū)存在花崗巖風(fēng)化程度較大現(xiàn)象，在勘察期間，周圍極堅(jiān)硬的硅化巖，完整的花崗巖層容易造成誤判，致使橋梁樁基類型或端承樁長(zhǎng)度錯(cuò)誤[6]。Ⅲ區(qū)在設(shè)置橋梁基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)將基礎(chǔ)置于穩(wěn)定的硅化巖層中。

3)路基工程設(shè)置應(yīng)避免在Ⅲ區(qū)出現(xiàn)挖方邊界不夠。由于Ⅲ區(qū)靠近硅化巖面地層力學(xué)性質(zhì)較差，當(dāng)挖方邊界不能達(dá)到硅化巖面時(shí)，施工干擾更容易促發(fā)硅化巖面之上剩余地層滑塌。應(yīng)將挖方邊界設(shè)置于硅化巖面上，將易滑地層進(jìn)行全部清除。

4)民居應(yīng)避開Ⅲ區(qū)靠近硅化巖面地層。由于該屬于低山地區(qū)，能夠修建住宅房屋的區(qū)域相對(duì)較為稀缺，居民通常選擇地勢(shì)較為平坦的Ⅲ區(qū)靠近硅化巖面處修建；但硅化巖及其堅(jiān)硬，致使居民無(wú)法將房屋基礎(chǔ)坐落于穩(wěn)定的硅化巖中。在暴雨時(shí)期或Ⅲ區(qū)地層擾動(dòng)情況下，造成房屋基礎(chǔ)失穩(wěn)或開裂。

5)目前資興高速已建成通車，較大的人為干擾因素較少發(fā)生；故該地區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害隱患便集中在Ⅲ區(qū)硅化巖接觸帶附近，其力學(xué)性質(zhì)差，又兼?zhèn)涞叵滤判雇ǖ赖墓δ苁沟迷搮^(qū)域在暴雨實(shí)況下極易發(fā)生滑坡、溜坍等地質(zhì)災(zāi)害；改善該區(qū)域人類建筑物的防排水措施及改變相對(duì)應(yīng)的Ⅲ區(qū)硅化巖接觸帶力學(xué)性質(zhì)是預(yù)防上述地質(zhì)災(zāi)害的主要手段。

5 結(jié) 論

1)加里東期巖漿活動(dòng)是現(xiàn)有硅化巖層形成的主要因素，其特有的性質(zhì)在后期控制了沉積盆地的形成。

2)硅化巖致密、隔水的特性對(duì)侵入接觸的下伏地層及不整合接觸的上覆地層產(chǎn)生一定影響，形成了特有的三元結(jié)構(gòu)模型。

3)三元結(jié)構(gòu)模型中硅化巖是影響因素，Ⅰ區(qū)富水且風(fēng)化程度較高，Ⅲ區(qū)與硅化巖接觸帶地層力學(xué)性質(zhì)差且為地下水排泄通道是影響結(jié)果。

4)三元結(jié)構(gòu)模型對(duì)設(shè)計(jì)、施工的指導(dǎo)意義即Ⅰ區(qū)巖層風(fēng)化程度的迷惑性和Ⅲ區(qū)與硅化巖接觸帶力學(xué)性質(zhì)差易破壞性。

5)改變?nèi)祟惤ㄖ镌冖髤^(qū)硅化巖接觸帶附近的防排水措施及接觸帶力學(xué)性質(zhì)是預(yù)防該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的主要手段。