武漢地區(qū)志留系墳頭組石灰?guī)r工程特性研究

朱帆濟，劉亞洲，鄧青軍

(武漢市政工程設(shè)計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023)

0 引言

揚子區(qū)內(nèi)志留系以淺海-濱海相碎屑巖和灰?guī)r沉積為主，生物群豐富，下統(tǒng)下部為筆石頁巖相，下統(tǒng)上部、中上統(tǒng)一般為介殼相[1]。武漢市位于揚子準地臺北部、秦嶺地槽東段南部，區(qū)內(nèi)志留系地層主要為墳頭組碎屑巖。志留系地層在武漢地區(qū)分布較廣，呈近東西向帶狀分布于中部美娘山、洪山、喻家山、磨山、鼓架山、白滸山一線和南部大軍山、八分山、龍泉山一線，形成殘丘-低丘地貌，在地表出露較多墳頭組地層，一般與泥盆系相伴產(chǎn)出，二者差異風化明顯，志留系在第四系掩蓋下常組成背斜核部地層。墳頭組上部為黃綠、灰黃色泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖夾細砂巖，下部為黃綠、綠灰色等厚層細粒砂巖，局部為巖屑石英砂巖與粉砂質(zhì)泥巖相間或呈互層，具有自下而上由粗變細的規(guī)律，大環(huán)境表現(xiàn)為海退序列的沉積[2]。

墳頭組化石組合特征、構(gòu)造作用、沉積相與古環(huán)境研究一直是學界關(guān)注的問題[3-9]，根據(jù)三葉蟲組合面貌，林天瑞[3]認為南京地區(qū)墳頭組時代應(yīng)定為中志留系；陳旭等[10]認為西南秀山組、蘇皖墳頭組及鄂西紗帽組等均為下志留系；席與華[4]記述了蘇皖地區(qū)墳頭組腹足類11屬12種，提出應(yīng)將墳頭組時代定為早志留系；綜合分析薄片鑒定、黏土礦物差熱對比及X射線衍射結(jié)果等，李德平等[9]總結(jié)了中志留系墳頭組沉積相和古環(huán)境特征；底棲生物群落的變化反映出早志留系上揚子區(qū)經(jīng)歷了4次海平面升降[11]，海平面升降變化曲線可用于對比早志留系時代巖石地層單位；戎嘉余等[12]對志留系綜合地層及時間框架進行了總結(jié)，并提出了今后研究突破方向。

武漢地區(qū)墳頭組地層以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，至今未見其他巖性報道。根據(jù)區(qū)域內(nèi)鐵箕山化石組合面貌，縱瑞文等[5]提出武漢地區(qū)墳頭組地層所屬地質(zhì)時代應(yīng)定為早志留系晚期。目前，對武漢地區(qū)志留系的研究較少，因此，根據(jù)工程勘察資料，通過室內(nèi)巖芯觀察描述及薄片鑒定結(jié)果，對武漢地區(qū)志留系墳頭組石灰?guī)r特性進行研究。

1 石灰?guī)r特性

1.1 基本特性

進行武漢市地鐵4號線孟家鋪站工程地質(zhì)勘察時，首次在志留系巖層中發(fā)現(xiàn)灰色石灰?guī)r。石灰?guī)r呈夾層狀，局部未揭露。鉆孔所見最大層厚12.50m，帶寬10～60m。石灰?guī)r位于鍋頂山～王家店褶皺倒轉(zhuǎn)背斜的核部，該背斜西起蔡甸北，向東經(jīng)鍋頂山南、武昌大東門、華中科技大學至王家店，長約55km，寬約24km，核部為志留系，兩翼為泥盆系、三疊系巖層。

巖礦鑒定結(jié)果表明，該地區(qū)石灰?guī)r包括亮晶膠結(jié)生物碎屑石灰?guī)r、泥晶生物碎屑石灰?guī)r等，巖石生物碎片分選性差，保存程度為中等～差，其中07-3號巖樣為亮晶膠結(jié)生物碎屑石灰?guī)r，主要成分為生物碎屑(含量約85%)及亮晶方解石(含量約15%)，生物碎屑主要為棘皮碎片(含量約55%)、珊瑚碎片(含量約10%)、包粒狀海綿碎片(含量約10%)及其他碎片和包粒(含量約10%)；08-2號巖樣為泥晶生物碎屑石灰?guī)r，主要成分為生物碎屑(含量約61%)、陸源碎屑物沉積物(含量約36%)及粉晶方解石(含量約3%)，生物碎屑主要為珊瑚單體(含量約40%)、棘皮碎片(含量約15%)及腕足碎片和介形蟲(含量約6%)，陸源碎屑物主要為泥質(zhì)(含量約30%)、石英(含量約3%)及絹云母(含量約3%)；08-3號巖樣為泥晶生物碎屑石灰?guī)r，主要成分為生物碎屑(含量約55%)、陸源碎屑物沉積物(含量約40%)及粉晶方解石(含量約5%)，生物碎屑主要為珊瑚碎片(含量約50%)及棘皮碎片(含量約5%)，陸源碎屑物為泥質(zhì)(含量約25%)、石英(含量約10%)及絹云母(含量約5%)。

石灰?guī)r中包含珊瑚、棘皮及包粒狀海綿等化石，為濱淺海相生物，且碎屑磨損嚴重，為準原地堆積，生物群豐富。膠結(jié)生物碎屑石灰?guī)r中碎屑磨圓度較低，為水動力條件較強的濱淺海沉積環(huán)境。生屑-珊瑚泥灰?guī)r中泥質(zhì)含量明顯偏高，沉積水動力較弱，多為低能淺灘堆積環(huán)境。石灰?guī)r夾層層厚均較小，反映出了在陸棚大環(huán)境下的短時期濱淺海沉積，粉砂巖-石灰?guī)r-粉砂巖沉積序列反映出了海退時期短暫的海侵作用。石灰?guī)r抗壓強度普遍較高，部分巖樣抗壓強度>60MPa，工程特性明顯不同于同層位泥巖與粉砂巖。明確石灰?guī)r分布情況與工程特性，對基坑開挖、樁基成孔、盾構(gòu)機選型和刀盤配置均具有一定指導意義。

1.2 所屬地質(zhì)時代

武漢市軌道交通1號線徑河延伸線工程地質(zhì)勘探揭露了志留系墳頭組筆石化石，鉆孔所見最大層厚11.00m，化石位于漢口～新界復式背斜的核部，該背斜北起柏泉-北湖，南至吳家山-新店，東西長約50km，寬6～12km。東湖以西為漢口～東湖倒轉(zhuǎn)背斜，背斜開闊，核部為志留系，兩翼為泥盆系、二疊系巖層。

巖礦鑒定結(jié)果表明，本次勘探共發(fā)現(xiàn)以下類型筆石化石：①單筆石 由1個筆石枝組成，筆石枝直或微彎曲，筆石枝上僅有1列胞管，胞管口部向外彎曲，呈鉤狀。②耙筆石 由1個筆石枝組成，筆石枝纖細并明顯彎曲，呈卷曲狀。筆石枝上僅有1列胞管，著生在彎曲筆石枝外凸側(cè)，胞管呈線形，長約3mm，胞管間距約1mm。各胞管彼此孤立，與筆石枝軸部近于垂直。③雕筆石 筆石體由2列胞管攀合而成，胞管呈直管狀。

筆石化石豐富，其中單筆石最豐富，其次為耙筆石，最后為雕筆石。單筆石所屬地質(zhì)時代為早志留系至早泥盆系，耙筆石所屬地質(zhì)時代為早志留系，雕筆石所屬地質(zhì)時代為早奧陶系至早志留系。經(jīng)綜合分析，建議將武漢地區(qū)墳頭組地層所屬地質(zhì)時代定為早志留系。

1.3 工程特性

對武漢地區(qū)志留系泥巖、石灰?guī)r等工程特性進行總結(jié)，如表1所示。由表1可知，中風化石英細砂巖多為較軟～較硬巖，飽和單軸抗壓強度一般高于泥巖及粉砂巖，最大值為43.6MPa，磨蝕指數(shù)為0.75～0.93，平均值為0.83；中風化含巖屑石英砂巖為較硬～堅硬巖，飽和單軸抗壓強度最大值為63.6MPa，磨蝕指數(shù)為3.05～4.36，平均值為3.52；中風化泥巖為軟巖，飽和單軸抗壓強度最大值為14.3MPa，磨蝕指數(shù)為0.36～0.54，平均值為0.45；中風化石灰?guī)r為較硬～堅硬巖，飽和單軸抗壓強度最大值為119.0MPa，磨蝕指數(shù)為0.84～1.42，平均值為1.09；中風化石灰?guī)r磨蝕指數(shù)約為中風化泥巖的2倍，而飽和單軸抗壓強度為中風化泥巖的5～8倍。需對志留系地層進行準確定名與層位劃分，以為工程施工提供參考。

表1 巖石工程特性

2 工程應(yīng)用

2.1 兩湖隧道工程

兩湖隧道工程北起秦園路和二環(huán)線東湖路，下穿東湖后在卓刀泉北路合并，南行依次下穿珞瑜路、雄楚大街和南湖，止于三環(huán)線，隧道主線全長19.25km。采用盾構(gòu)法施工，隧道洞徑15.5m，主線隧道段(K8+120.000—K8+880.000)下穿珞瑜路及卓刀泉南路，該標段場地沿線正交穿過龍陽湖～王家店倒轉(zhuǎn)背斜。線路起點處為志留系泥巖，向南延伸至卓刀泉寺后漸變?yōu)槟嗯柘瞪皫r及石炭系石灰?guī)r，沿線巖性種類較多。

根據(jù)隧道走向，結(jié)合石灰?guī)r分布規(guī)律，初步判定志留系泥巖中靠近泥盆系砂巖連接處可能發(fā)育石灰?guī)r地層，其產(chǎn)狀較陡，層厚較小，巖性較硬。實際勘察過程中，在靠近卓刀泉立交北側(cè)布置方格網(wǎng)狀勘探孔(孔深50～60m)，以驗證石灰?guī)r分布規(guī)律。勘察結(jié)果顯示，志留系中分布灰色～灰黑色石灰?guī)r，鉆孔所見最大層厚19.30m，石灰?guī)r呈夾層狀，局部未揭露?？變?nèi)電視測試結(jié)果表明，石灰?guī)r產(chǎn)狀為303°∠61.32°，如圖1所示。

圖1 孔內(nèi)電視測試結(jié)果

巖礦鑒定結(jié)果表明，生物碎屑亮晶石灰?guī)r中生物碎屑含量約50%，主要為三葉蟲碎片，較小粒徑為0.2～0.5mm，較大粒徑為0.5～3.5mm，發(fā)育玻纖結(jié)構(gòu)；其次為海百合碎片，粒徑以0.5～1.0mm為主，較大粒徑為1.0～3.0mm，發(fā)育單晶結(jié)構(gòu)；再次為雙殼碎片，粒徑以0.1～0.3mm為主，發(fā)育多晶結(jié)構(gòu)。生物碎片分選較差，保存程度為中等～差。

2.2 地鐵8號線工程

武漢地鐵8號線工程縱向穿過鍋頂山～王家店倒轉(zhuǎn)背斜核部，盾構(gòu)主要穿越地層為志留系泥巖，局部為中風化石灰?guī)r，掘進參數(shù)如表2所示。由表2可知，盾構(gòu)機在中風化泥巖中的平均掘進速度約為60mm/min，而在中風化石灰?guī)r中的平均掘進速度約為20mm/min，掘進速度差異較大。因此，設(shè)計單位與施工單位應(yīng)充分考慮泥巖中石灰?guī)r夾層對盾構(gòu)機掘進速度的影響，應(yīng)根據(jù)巖石產(chǎn)狀、厚度、堅硬程度和裂隙發(fā)育情況，綜合選擇施工工藝，以提高施工效率，確保施工安全。

表2 掘進參數(shù)

3 結(jié)語

對武漢地區(qū)志留系墳頭組石灰?guī)r工程特性進行研究，得出以下結(jié)論。

1)墳頭組發(fā)育灰色～灰黑色石灰?guī)r夾層，石灰?guī)r中未見溶溝、溶槽等，溶蝕現(xiàn)象不發(fā)育，含較多生物碎屑，如三葉蟲、海百合、雙殼類、珊瑚及棘皮等，屬較硬～堅硬巖。

2)在墳頭組泥巖中首次發(fā)現(xiàn)筆石化石分布，石灰?guī)r的揭露豐富了武漢地區(qū)志留系墳頭組基巖種類與層序關(guān)系，對地質(zhì)填圖具有一定借鑒作用，為地層組合與沉積環(huán)境對比提供了新依據(jù)，也為鄰近地區(qū)基巖研究提供參考。根據(jù)筆石種類與形態(tài)特征，建議將墳頭組所屬地質(zhì)時代劃分為早志留系。

3)對墳頭組石灰?guī)r及伴生的石英細砂巖和含巖屑石英砂巖工程特性進行總結(jié)，可用于指導施工。需對志留系地層進行準確定名與層位劃分，對于基坑開挖、樁基成孔、盾構(gòu)機選型、刀盤配置和掘進等具有一定指導意義。