新疆北部某深埋长隧洞蚀变岩地质特征及工程影响
作者简介：吴彤 （1983—），毕业于河海大学，学士，工程师，现从事水利水电工程地质与水文地质勘察。
摘要：蚀变作用是指包括热液作用及表生作用等引起的岩石和矿物的各种次生变化，而岩石的蚀变特征在很大程度上影响岩体的工程地质特征。本文以新疆北部某正在施工的深埋长隧洞蚀变岩段为研究对象，采用地质调查与详细编录、取样分析及试验等方法，以宏观和微观分析相结合的方式研究蚀变花岗岩的分布规律、成因机制及类型等地质特征，通过试验分析了蚀变岩的工程特征，进行了蚀变岩洞段的围岩类别划分，评价了蚀变岩对洞室的工程影响，为蚀变岩洞段TBM的施工稳定分析计算提供了充足的地质资料。
关键词：蚀变岩 地质特征 工程特性 隧洞工程 影响
1 引言
广义的蚀变是指包括热液作用及表生作用等引起的岩石和矿物的各种次生变化。其中热液是指在岩浆结晶的过程中，随着温度的降低而分离出含有大量矿物元素化合物的高温液体。热液渗入花岗岩层或围岩裂隙中继续冷却，其矿物金属化合物释出和沉积，形成充填、升华、蒸发、交代等各种作用。
由于蚀变作用十分广泛，本文以新疆北部某正在施工的隧洞工程为例，研究蚀变花岗岩的工程特性及对隧洞工程的影响。本隧洞工程采用敞开式TBM施工，于2017年2月开始揭露蚀变二长花岗岩，隧洞埋深大于600m，至2017年6月21日完全通过该蚀变岩洞段，共445m。从隧洞揭露的蚀变岩看，蚀变岩具有范围大、性状差、分布不规则的特点，蚀变岩洞段存在变形、塌方掉块、承载力低、流沙等工程地质问题，施工缓慢，已严重影响工程计划进度，并直接影响到洞室围岩的稳定性和工程进度，在工程运行期还会影响支护结构的耐久性。因此，研究蚀变岩的矿物成分、化学成分，掌握蚀变岩岩体物理力学性质，查明蚀变作用的地质成因、蚀变机理，分析评价蚀变岩的工程地质特性和分布规律，归纳总结围岩分类方法以及评价其对隧洞的工程影响，对于工程采取积极的防护措施、加快施工进度、保障施工安全、确保岩体支护结构的可靠性具有重要意义。
2 蚀变岩工程地质特征研究
2.1 蚀变岩的分布规律
工程区所在的北天山西段博罗科努山北坡，分布有较大范围的华力西中晚期侵入岩，主要沿区域性断层F7两侧分布，以岩基、岩株、岩墙、岩脉的形式产出。北天山北麓华力西中期侵入的二长花岗岩中构造裂隙发育，分布有一系列挤压蚀变破碎带，破碎带厚度变化大，厚度一般为几十厘米，分布形状不规则。但总体上，工程区蚀变带的分布主要受构造控制。
2.2 蚀变岩的成因机制研究
为研究蚀变岩的工程地质特征，在本工程地质前期勘察的基础上，在施工过程中又对蚀变岩洞段采集样品进行磨片鉴定、X射线粉晶衍射分析、常规化学元素和微量元素分析等,对蚀变岩的成因进行了分析。
本隧洞工程区位于准噶尔和塔里木两大盆地之间，在区域上属于印度洋板块与亚欧板块之间的造山带。在地质历史上，这一地区经历了多期强烈的构造岩浆作用并伴随发生岩浆热液成矿和热液蚀变作用。此外，工程区在构造应力的作用下，形成大量不同规模的结构面，这也为岩石热液蚀变的发生提供了必要的构造条件。同时，工程区岩石的矿物成分表明（见表1~表3），区内主要以石英、斜长石和钾长石为主，而黑云母和角闪石含量较少，随蚀变程度的加深，花岗岩中的长石等矿物被蚀变成黏土矿物，表明它们为低温热液蚀变产物。
表1 强蚀变岩样Y38+497-4磨片鉴定成果
表2 岩石全岩X射线粉晶衍射分析成果
表3 岩石全岩X射线粉晶衍射黏土矿物分析成果
断裂裂隙不仅是地下热水溶液运移的通道，也是水—岩进行物质交换与热液蚀变的主要场所。构造和蚀变的关系突出表现在断裂构造的方向、规模和程度直接控制着热液蚀变发育的方向、规模和程度。通过地质调查可以看出，工程区主要发育EW、NE和NW走向断裂，由断裂中心向两侧，蚀变带由强到弱发育着不同蚀变程度的蚀变岩，表现出构造部位对蚀变岩类型和强度分带的明显控制作用。
根据以上分析，可知工程区内蚀变岩既有热液成因，又有构造动力成因。晚古生代强烈的地壳运动为岩浆侵位创造了有利条件，包含Si、Al的酸性岩浆沿断裂上升运移，由于矿物成分、温度等的差异，使接触带炙热的花岗岩与围岩间发生多期次的交代蚀变和热蚀变，尤其在节理裂隙发育、岩体破碎的部位，中—低温蚀变强烈，花岗岩类岩体发生非整体性蚀变，花岗岩中的长石、云母等矿物被普遍蚀变成绿泥石、蒙脱石和高岭石等黏土矿物，由接触带向两侧岩石的蚀变程度减弱。后期的构造运动对蚀变岩产生影响。华力西期构造运动过程中，在挤压应力的叠加作用下，岩石整体发生不同程度的蚀变作用，镜下表现为蚀变岩的碎裂岩化特征。
2.3 蚀变程度划分及蚀变类型
通过野外调查及现场测试等工作，根据蚀变岩表观特征、岩石强度、矿物蚀变程度、岩体地震波等，将工程区蚀变岩其划分为强蚀变岩、中等蚀变岩、轻微蚀变岩3种类型。
（1）强蚀变岩。岩石的组织结构完全破坏或残留少量心石，可见原始结构痕迹。除石英外，其余矿物大部分或全部蚀变为次生矿物。干燥状态呈密实状，潮湿时呈松散土状或砂状。岩体裂隙不明显。锤击有松软感，出现凹坑，手捏即碎，用钢钎可插入。纵波速一般小于1000m/s，回弹值多小于10。易潮解，遇水快速崩解，如图1、图2所示。
（2）中等蚀变岩。岩石的组织结构部分或大部分破坏，部分岩石呈不连续的骨架或心石。石英以外的矿物部分蚀变为次生矿物。岩石遇水后强度明显降低，部分崩解，如图3所示。纵波速一般为1500~3000m/s，回弹值为10~30。
（3）轻微蚀变岩。岩石的组织结构基本完整，浸水后基本没有岩屑或小的颗粒从岩块上脱落，如图4所示。锤击有一定回弹，波速一般大于3000m/s，回弹值为30~50。
图1 干燥状态的强蚀变岩
图2 浸水1min后的强蚀变岩
图3 中等蚀变岩浸水后部分崩解
图4 轻微蚀变岩基本无岩屑或颗粒脱落
通过对比不同蚀变程度的黏土矿物成分可知，中等蚀变和强蚀变岩石的非黏土矿物主要有石英、斜长石、钾长石、云母和角闪石等。中等蚀变岩样品已含有蚀变生成的黏土矿物，黏土矿物含量占全岩的1%~8%，而强蚀变岩样品的黏土矿物含量达全岩的5%~17%。随蚀变程度的加深，岩石黏土矿物含量显著增加。
中等蚀变岩的黏土矿物中均含有高岭石，部分样品含有绿泥石，不含蒙脱石。强蚀变岩的黏土矿物中均含有绿泥石，部分样品含有蒙脱石、高岭石。岩石样品中所含黏土矿物类型和含量随蚀变程度的不同而有所差异。随着蚀变程度的加深，总体上强膨胀性的蒙脱石含量呈增大趋势，而弱膨胀性的高岭石含量逐渐减小。
从中等蚀变岩到强蚀变岩，石英、钾长石的含量基本未发生变化，斜长石、云母和角闪石等矿物的含量降低，而绿泥石、蒙脱石等黏土矿物的含量增加。试验结果中等蚀变岩中的角闪石和云母等暗色矿物进一步蚀变生成强蚀变岩中的绿泥石，而中等蚀变岩中的斜长石进一步蚀变生成强蚀变岩中的蒙脱石，即从中等蚀变岩到强蚀变岩，蚀变生成了更多亲水性黏土矿物，黏土矿物吸水膨胀，使结构致密的花岗岩膨胀松裂，进而产生崩解破坏。
综上所述，工程区花岗岩中的长石、云母等矿物被普遍蚀变成绿泥石、蒙脱石和高岭石等黏土矿物，蚀变作用主要表现为黏土岩化作用，后期在挤压应力作用下表现为碎裂岩化特征。
3 蚀变岩工程特性研究
结合微观分析与试验结果以及对所采样品的物理力学性质试验，对工程区蚀变岩的工程特性进行分析。
3.1 膨胀、崩解性
蚀变岩被揭露后，遇地下水和潮湿空气会发生膨胀崩解，其膨胀崩解程度与蚀变岩内黏土矿物含量密切相关。对隧洞工程揭露的蚀变岩取样进行膨胀性、耐崩解性试验，并经分析汇总后见表4。
表4 蚀变岩的膨胀性、耐崩解性试验成果汇总
对比中等蚀变岩与强蚀变岩的自由膨胀率、侧向约束膨胀率和膨胀力，强蚀变岩的自由膨胀率和侧向约束膨胀率均较中等蚀变岩大，而强蚀变岩的膨胀力较中等蚀变岩小，即随蚀变程度的加深，岩石的自由膨胀率、侧向约束膨胀率增大，而岩石的膨胀力减小。工程设计施工中，应关注不同蚀变程度岩石自由膨胀率、侧向约束膨胀率和膨胀力的变化特征。
对比中等蚀变岩与强蚀变岩的耐崩解性指数，强蚀变岩的耐崩解性指数显著低于中等蚀变岩。即随蚀变程度的加深，岩石的耐崩解性指数显著降低。由于蚀变作用，改变了蚀变岩的矿物组成、结构，导致岩石的耐崩解性急剧降低。强蚀变岩石遇水强烈崩解。经过二次崩解循环后，强蚀变岩大部分不再呈块状，而呈现松散碎屑状。强蚀变岩极低的耐崩解性特点，导致岩石强度低、岩体破碎，洞室不稳定，出现塌方、挤压变形等工程地质问题。
3.2 物理力学性质
蚀变作用生成的蒙脱石等黏土矿物降低了岩体凝聚力，黏土成分遇水膨胀破坏了岩石内部颗粒之间的结构，造成蚀变岩抗剪及抗压能力降低。为研究蚀变岩的物理力学特征，取中等蚀变和强蚀变岩样进行试验，试验成果见表5、表6。
表5 中等蚀变花岗岩物理力学性质试验成果
表6 强蚀变花岗岩物理力学性质试验成果
中等蚀变岩受蚀变作用影响，虽然岩石有少量黏土矿物产生，但岩石的整体结构受影响较小，岩石的空隙率低，因而岩石的含水率、吸水率和饱和吸水率均较低。单轴抗压强度10.69~33.34MPa，抗压强度的变幅较大，同时也说明了岩石蚀变程度的差异性较大。
强蚀变岩天然含水状态下强蚀变岩的黏聚力c为0~50.96kPa，内摩擦角φ为24.5°~42.6°；饱和状态下强蚀变岩的黏聚力c为0~7.28kPa，内摩擦角φ为24.2°~30.6°。饱水后，岩石的黏聚力降低43%~100%，内摩擦角降低1%~38%。岩石的黏聚力显著降低。工程实践中应重视饱水后强蚀变岩黏聚力急剧降低的特性。
对比中等蚀变岩与强蚀变岩的块体密度/密度、含水率和空隙率/孔隙比指标，强蚀变岩的块体密度小于中等蚀变岩，而含水率和空隙率大于中等蚀变岩。表明随蚀变程度的加深，蚀变产生的黏土矿物含量增加，矿物颗粒间的连接力被进一步削弱，导致岩石结构疏松，空隙空间增加，因而岩石的块体密度相应减小，含水率相应增加。
对比中等蚀变岩与强蚀变岩的颗粒密度/相对密度指标，中等蚀变岩的颗粒密度与强蚀变岩的颗粒密度/相对密度大小基本一致。尽管受蚀变作用，岩石的空隙率/孔隙比增大，含水率等增加，但岩石颗粒自身的密度并未发生明显变化，即虽然岩石中一种或几种矿物蚀变生成另一种或几种矿物，然而岩石的物质总量是一定的，排除试验误差等因素的影响，中等蚀变和强蚀变岩的颗粒密度应是恒定不变的。
4 蚀变岩对隧洞工程的影响
4.1 蚀变岩洞段围岩分类
根据岩石的蚀变程度、岩石强度（回弹值）、岩体结构、完整程度、纵波波速、结构面特征及地下水活动状态等确定本工程蚀变岩洞段围岩分类标准，见表7。
表7 蚀变岩围岩分类标准
根据上述分类标准，对该工程已开挖洞段不同蚀变程度统计及围岩分类情况见表8。
表8 蚀变岩洞段围岩分类及岩体蚀变程度统计
续表
4.2 蚀变岩洞段的工程地质问题
4.2.1 塌方
隧洞揭露蚀变岩后，岩石具有不同程度蚀变，影响洞室稳定，表现为塌落、掉块等。塌落深度随蚀变程度的加深而明显增加。蚀变程度不同，塌方、塌落的形式及块度也有所不同，表现为：
（1）以中等蚀变为主、中等蚀变与轻微蚀变相间分布的洞段，顶拱掉块较多，块度大小不一。
（2）以中等蚀变为主，夹有强蚀变岩体的洞段，岩体不稳定，洞顶发生塌落，掉块塌落的形式一种为沿结构面塌落，另一种因岩石蚀变导致岩石强度降低、晶粒结合能力差所导致的岩石断开塌落。
（3）以强蚀变为主的洞段，岩体破碎，呈碎块—碎屑状散体结构，塌落深度局部可达3~4m，甚至更深。
4.2.2 拱顶及两侧掉渣严重
TBM在蚀变岩段施工过程中，拱顶及两侧掉渣严重且渣体呈碎屑状时，主机底部渣量大量堆积，由于施工中作业空间有限导致人工清渣效率低，严重制约施工进度。
4.2.3 承载力低
蚀变岩遇水软化，导致承载力降低，出现地基沉降变形及撑靴部位向前掘进的过程中表层硬化的混凝土开裂。
撑靴位置承载力不足处理：采用YT-28风动凿岩机造孔，安装φ40mm注浆小导管，导管间排距为0.5～1.0m，根据现场操作空间分别施作1.5m与3m长注浆小导管，对围岩进行加固，但施工效率低下。另外由于蚀变带洞段围岩软弱承载力极低，使TBM设备调向困难，极易出现掘进方向偏差。
5 结语
（1）天山北麓华力西中期侵入的二长花岗岩中分布有蚀变岩，属汽成热液蚀变。蚀变带厚度变化大，展布形状不规则，分布规律性差，但总体受构造控制。
（2）按蚀变岩的蚀变程度分为强蚀变、中等蚀变、轻微蚀变，不同程度蚀变岩分布不均一且相互混杂。中等和强蚀变岩具有强度低、易潮解，易崩解，完整性差等特点。蚀变作用主要表现为黏土岩化。
（3）根据岩石的蚀变程度、岩石强度（回弹值）、岩体结构、完整程度、纵波波速、结构面特征及地下水活动状态等确定蚀变岩围岩分类标准，蚀变岩洞段按蚀变岩Ⅲ类、蚀变岩Ⅳ类、蚀变岩Ⅴ1类、蚀变岩Ⅴ2类进行分类。
（4）蚀变岩洞段属特殊不良地质洞段，存在的主要工程地质问题为崩塌、掉块、挤压变形、承载力不足、地基沉降以及掘进过程中拱顶及两侧掉渣严重使主机底部渣量大量堆积。轻微蚀变岩主要是顶拱掉块；中等蚀变岩主要是崩塌、掉块和挤压变形；强蚀变岩崩塌、挤压变形、承载力不足和地基沉降均突出，附近岩体富水时存在流沙、突泥的危险性大。
参考文献
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