武漢長江新區(qū)玄武巖工程特性

為查明武漢新城區(qū)紅層中玄武巖工程特性，通過對其產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)特征、礦物成分、單軸抗壓強(qiáng)度等方面對玄武巖進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明：武漢玄武巖形成于更新世早期-更新世中期，呈噴溢侵入紅層及晚第三系砂礫層，成分為拉斑玄武巖，結(jié)構(gòu)有杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖兩種，玄武巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度22.8～24.6 MPa，富水性貧乏，玄武巖與紅層形成軟硬夾層，橋梁、地鐵等工程施工工法影響較大，工程建設(shè)中應(yīng)予以重視。

玄武巖； 結(jié)構(gòu)特征； 礦物成分； 軟硬夾層

TU452A

［定稿日期］2024-08-13

［作者簡介］王輝（1980—），男，本科，高級工程師，注冊土木工程師（巖土），研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)與工程地質(zhì)。

0 引言

武漢長江新城（新區(qū)）是武漢市政府規(guī)劃的一個新區(qū)，位于武漢市市北，南至長江北岸，西至灄水河、府河，西南至張公堤路，北至江北鐵路，30～50 km2。武漢長江新城（新區(qū)）廣泛分布白堊系-第三系東湖群棕紅色泥質(zhì)粉砂巖、砂巖等沉積巖。近年來在黃陂區(qū)李家集橋頭李、三里街［1］、五通口等地紅層中發(fā)現(xiàn)玄武巖。紅層由于其成巖時間較短，膠結(jié)程度差，強(qiáng)度差，天然單軸抗壓強(qiáng)度一般在5 MPa以下［2］，而玄武巖是一種硬質(zhì)巖，天然單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)上100 MPa［3］。玄武巖入侵紅層，在地質(zhì)上形成軟弱夾層，形成不均勻地基，給工程設(shè)計(jì)施工造成很大困難，本文以武漢富強(qiáng)大道道排工程為例對對玄武巖分布規(guī)律、工程特性進(jìn)行了研究，對武漢新城區(qū)工程建設(shè)具有借鑒意義。

1 工程概況及區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 工程概況

武漢富強(qiáng)大道道排工程位武漢市長江新區(qū)，道路南起武湖公里，沿現(xiàn)狀黃武公里往北至三里鎮(zhèn)東支河，全長約10.0 km，按照城市主干路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，道路紅線寬度按照60～80 m控制，現(xiàn)狀為地面雙向4、6車道，改造后地面采用雙向6車道，預(yù)留雙向8車道改造條件，設(shè)計(jì)速度為50 km/h，為城市主干道，給排水管道位于道路兩側(cè)。

1.2 地形地貌

武漢市地處江漢平原東部邊緣，屬剝蝕殘丘平原，地勢南高北低，西高東低，中間凹谷呈Y字型切割成三塊，稱之為武漢三鎮(zhèn)。武漢素有“水鄉(xiāng)澤國”之稱，境內(nèi)大小近百個湖泊星羅棋布。最高點(diǎn)高程150 m，最低陸地高程18 m。

地貌形態(tài)主要有三種：①剝蝕丘陵區(qū)：主要分布在武昌、漢陽地區(qū)；②剝蝕堆積平原區(qū)：主要分布在武昌、漢陽、黃陂的平原湖區(qū)與殘丘之間。地形波狀起伏，壟崗與坳溝相間分布。高程25～45 m之間，按長江、漢江沖積階地劃分，相當(dāng)于Ⅲ級階地;③堆積平原區(qū)：分布于漢口城區(qū)級武昌、漢陽沿江一帶，相當(dāng)于Ⅰ、Ⅱ級階地。Ⅰ級階地（有一部分屬高漫灘），廣泛分布于長江、漢江兩岸地區(qū)，呈不對稱型分布。地面標(biāo)高19～23 m之間，局部達(dá)25 m之間。Ⅱ級階地僅見于青山及東西湖一帶，地面標(biāo)高22～24 m之間。武漢長江新區(qū)地貌以長江Ⅰ、Ⅱ級階地為主。

1.3 區(qū)域地質(zhì)

武漢市區(qū)域地質(zhì)以襄（樊）—廣（濟(jì)）斷裂為界，北部屬秦嶺—大別地層區(qū)，地層為南大別變質(zhì)雜巖帶，主要由前震旦紀(jì)角閃巖相二長花崗質(zhì)和花崗閃長質(zhì)片麻巖以及少量黑云（角閃）斜長片麻巖和斜長角閃片麻巖組成［7］。武漢地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化歷史劃分為加里東旋回、華力西—印支旋回和燕山—喜馬拉雅旋回三個時期，白堊-第三紀(jì)，隨著構(gòu)造變動由擠壓向引張的轉(zhuǎn)化，形成一系列中-新生代斷陷盆地，以河湖相紅色砂、礫巖及多旋回陸相火山噴發(fā)為特征的玄武巖。武漢新城區(qū)位于相對穩(wěn)定凹陷盆地。研究區(qū)位于武漢長江新城區(qū)黃武公路江北鐵路與漢口北大道之間段，位于襄（樊）—廣（濟(jì)）斷裂南側(cè)，屬于新洲凹陷，地層為白堊系-下第三系東湖群地層，主要巖性為泥質(zhì)粉砂巖、弱膠結(jié)砂巖和玄武巖。

1.4 水文地質(zhì)條件

場區(qū)地下水主要為第四系松散巖類孔隙承壓水，主要賦存在粉細(xì)砂、中粗砂及圓礫土層，隔水層頂板為弱透水的黏性土，底板為基巖，具有承壓性，主要接受區(qū)域地下水的側(cè)向補(bǔ)給或越流，向下游排泄，水量豐富，長江沖洪積二級階地孔隙承壓水水頭標(biāo)高一般在11.0～18.0 m之間變化，年變幅5～8 m。

2 武漢玄武巖工程地質(zhì)特征

2.1 玄武巖產(chǎn)狀

玄武巖是由火山噴發(fā)出的巖漿冷卻后凝固而成的一種致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)的巖石。在地質(zhì)學(xué)的巖石分類中，屬于巖漿巖（也叫火成巖）。巖漿巖分侵入巖和噴出巖兩種。其中侵入巖是地下巖漿在內(nèi)力作用下侵入地殼上部，巖層冷卻凝固而形成巖石，它的礦物結(jié)晶顆粒較大，代表巖石有花崗巖。噴出巖是地下巖漿在內(nèi)力作用下，沿地殼薄弱地帶噴出地表冷凝而形成巖石，它的礦物結(jié)晶顆粒細(xì)小，有的有流紋或氣孔構(gòu)造。中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心于武漢外韋浠水-馬垅一帶發(fā)現(xiàn)了保存完好的玄武巖火山口；另外武漢市已發(fā)現(xiàn)的玄武巖主要分布在黃陂區(qū)李家集橋頭李和三里街、青山區(qū)鄭家灣、龍角湖及五通口，均位于襄樊-廣濟(jì)斷裂帶沿線，走向并受北西，北東向斷裂控制。

本次發(fā)現(xiàn)玄武巖南北向長約500 m，玄武巖產(chǎn)狀呈M字型倒扣巖盆，呈夾層狀侵入泥質(zhì)砂巖中，局部段，玄武巖侵入晚更新世砂礫層，GL95鉆孔侵入砂礫層1.90 m，CK11鉆孔侵入砂礫層0.60 m（圖1），揭露最大埋深50.30 m。推測該玄武巖形成于更新世早期-更新世中期。

2.2 玄武巖結(jié)構(gòu)特征

本次勘察發(fā)現(xiàn)玄武巖主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是礦物顆粒細(xì)小，肉眼不易看見， 顯示其成巖過程由熔巖流相對快速冷卻形成的，無論是在地球表面還是作為薄侵入體，這阻止了大礦物晶體的形成（圖2）。另外一種為杏仁狀結(jié)構(gòu)，杏仁核是玄武巖中的圓形或細(xì)長的空腔，里面充滿了次生礦物質(zhì)方解石，顯示熔巖凝固后熔巖中的氣泡充滿富含礦物質(zhì)的液體時，杏仁核就會形成。 由于杏仁核中次生礦物的顏色對比，杏仁狀玄武巖通常呈現(xiàn)出斑點(diǎn)的外觀（圖3）。

2.3 玄武巖礦物成分

玄武巖通常包括斜長石、輝石、橄欖石和磁鐵礦作為主要造巖礦物。 這些礦物有助于玄武巖的特征成分、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，它們的研究可以為玄武巖巖漿和巖石的形成和演化提供深入的見解。

本次分別取杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖在偏光顯微鏡觀察，結(jié)果表明：杏仁狀玄武巖巖石標(biāo)本黑灰?guī)ЬG色色調(diào)，填間交織結(jié)構(gòu)，杏仁構(gòu)造，斜長石（Pl）含量57%左右，半自形長板狀，解理發(fā)育，一級灰干涉色，零散雜亂分布，其間充填火山玻璃以及綠泥石化輝石，斜長石粒徑大小0.10～0.50 mm之間；火山玻璃含量18%左右，隱晶質(zhì)，黑色不透明，充填分布在斜長石晶粒間隙中，火山玻璃中可見少量棕紅色伊丁石（Idn）分布；普通輝石（Aug）含量15%左右，不規(guī)則粒狀，多蝕變成綠泥石，可見少量殘留的輝石殘余顆粒菱形分布，多零散分布在斜長石晶粒間隙中，粒徑大小0.05～0.35 mm之間（圖4）；杏仁體含量10%左右，圓形或不規(guī)則狀，綠色，多被球粒狀綠脫石和綠泥石等充填，杏仁體大小1.00～5.00 mm之間（圖5）。

隱晶質(zhì)玄武巖巖石標(biāo)本呈黑灰?guī)ЬG色色調(diào)，無斑-填間交織結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斜長石（Pl）含量70%左右，多為拉-中長石，半自形長板狀，解理發(fā)育，一級灰干涉色，零散雜亂分布，其間充填火山玻璃以及綠泥石化的普通輝石，斜長石粒徑大小0.10～0.50 mm之間；普通輝石（Aug）含量20%左右，不規(guī)則粒狀，多蝕變成綠泥石，多零散分布在斜長石晶粒間隙中，可見少量殘留的輝石呈殘余粒柱狀顆粒，二級干涉色，零星分布，粒徑大小0.05～0.35 mm之間，最大0.50 mm左右；火山玻璃含量15%左右，隱晶質(zhì)，黑色不透明，充填分布在斜長石晶粒間隙中；石英（Qrz）含量2%左右，半自形或不規(guī)則細(xì)粒狀，無色透明，一級灰白干涉色，零星分布在斜長石晶粒間隙中，粒徑大小0.02～0.06 mm之間（圖6）。

2.4 玄武巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度

巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度是巖石最重要物理力學(xué)性能之一。工程評價巖石特性主要根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度評價其工程特性，是試件在無側(cè)限條件下受軸向壓力作用破壞時單位面積的所承受的荷載，是工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的參數(shù)。本次分別選取杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖進(jìn)行了測試，并對紅層中泥質(zhì)粉砂巖和弱膠結(jié)細(xì)砂巖進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：杏仁玄武巖顆粒密度2.47 g/cm3，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值22.8 MPa，隱晶玄武巖顆粒密度2.54 g/cm3，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值24.6 MPa，兩者強(qiáng)度差別不大，均屬于較軟巖。而紅層中弱膠結(jié)細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖顆粒密度平均值分別為2.07 g/cm3和2.24 g/cm3，天然單軸抗壓強(qiáng)度平均值分別為1.83 MPa和2.07 MPa，屬于極軟巖，工程力學(xué)性質(zhì)較差，極易軟化［4］，與玄武巖差異極大。這種軟硬交雜地層對盾構(gòu)施工及橋梁基礎(chǔ)嵌巖樁的選型及施工工法選擇影響很大［5］，設(shè)計(jì)、施工時應(yīng)予以重視（圖7）。

2.5 玄武巖富水性

長江新區(qū)玄武巖多呈夾層狀入侵紅層。玄武巖完整、無破碎，節(jié)理裂隙不發(fā)育。基質(zhì)多呈間粒結(jié)構(gòu)，氣孔-杏仁狀結(jié)構(gòu)，氣孔-杏仁體呈近圓狀，為灰白色方解石脈充填。節(jié)理裂隙多在間歇性順層噴溢形成，后期為方解石脈充填，玄武巖透水性差。鉆孔中玄武巖進(jìn)行抽水試驗(yàn)顯示，鉆孔涌水量在10 m3/d以下，水量極其貧乏。

3 結(jié)束語

武漢長江新區(qū)是武漢市全面貫徹新發(fā)展理念，錨定“四新三城”目標(biāo)定位，高起點(diǎn)規(guī)劃、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、高水平開放，是加快打造武漢高質(zhì)量發(fā)展新增長極。努力建設(shè)長江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展的新標(biāo)桿、中部地區(qū)綠色崛起的新引擎的現(xiàn)代城市建設(shè)治理的典范之城。近年來基礎(chǔ)建設(shè)如火如荼，場區(qū)地質(zhì)條件對基礎(chǔ)方案選型起到關(guān)鍵作用，通過對武漢新區(qū)玄武巖研究，主要有以下特征。

（1）武漢玄武巖形成于更新世早期-更新世中期，呈噴溢侵入紅層及晚第三系砂礫層。

（2）玄武巖成分為拉斑玄武巖，結(jié)構(gòu)有杏仁狀玄武巖和隱晶質(zhì)玄武巖兩種，富水性貧乏。

（3）玄武巖產(chǎn)狀不具有規(guī)律性，本次發(fā)現(xiàn)的玄武巖呈M字型倒扣巖盆，呈夾層狀侵入泥質(zhì)砂巖中，形成軟硬夾層。

（4）玄武巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度22.8～24.6 MPa，屬于較軟巖，可作為橋梁等大荷載嵌巖樁樁端持力層。

參考文獻(xiàn)

［1］ 宗維，杜小鋒，周峰，等.武漢市黃陂區(qū)紅層地下水含水層特征及富集規(guī)律［J］.資源環(huán)境與工程，2021（2）：182-187.

［2］ 劉亞洲，龐建成.武漢地區(qū)紅層分布及其工程特性研究［J］.土工基礎(chǔ)，2022（1）：51-56.

［3］ 中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院.青島海灣大橋土建工程施工階段補(bǔ)充工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.武漢：中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院，2010.

［4］ 彭華，吳志才.關(guān)于紅層特點(diǎn)及分布規(guī)律的初步探討［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（5）：109-113.

［5］ 彭柏興，王星華.紅層軟巖嵌巖樁端阻力研究［J］.城市勘測，2007，（1）：79-83.