五臺山地區太古界韌性剪切帶地層特征研究

張光明

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

韌性剪切帶又稱韌性斷層，是一種呈帶狀展布發育在地殼一定深度下的高應變帶，也是地表脆性斷層向地殼深部的延伸部分[1]。這種由巖石塑性流動而成，似斷非斷的特殊構造，除了具有重要的探礦意義外[2-4]，對隧道工程的建設影響較大。如雁門關公路隧道在右線中導洞施工至ZK110+918時，發生糜棱巖碎屑流，片麻巖突變為松散的碎屑從洞頂流出[5]，并在左線施工時發生糜棱巖塌方[6]；某鐵路隧道施工中，遇到韌性剪切帶夾泥化夾層，造成掌子面涌水涌泥，危及施工安全[7]；廣昆鐵路秀寧隧道在富水糜棱巖段落掌子面及側面巖體開挖后，頻繁出現掉塊和溜坍等失穩現象[8]。近些年，工程地質領域逐漸開始重視韌性剪切帶工程地質條件及對工程的影響，王建鵬研究了陽安二線蔣家山隧道穿越的6條元古界片巖為主的韌性剪切帶的工程地質特征[9]；常帥鵬對新建格庫鐵路七面峰4號隧道穿越元古界薊縣系石英片巖為主的韌性剪切帶進行綜合勘察分析及圍巖劃分[10]。鄧爭榮等研究中上元古界念青唐古拉巖群變質巖韌性剪切構造特征及其巖體工程性狀[11]。

不難看出，不同地區的韌性剪切構造，因其地層巖性、形成時代、機理，以及所處的區域地質環境不同，其工程地質特征差異較大。五臺山地區發育有較為典型的太古界變質巖韌性剪切帶，長約50 km，寬2～14 km，主要分布在河北省龍泉關—紅土坡—兩界峰以西，山西省鐵堡—門限石—屋腔以東，見圖1。從公開發表的文獻來看[12-16]，對該地區韌性剪切帶的研究主要集中在其形成的時代、機理，巖石化學成分等方面，而對其工程地質條件的研究相對較少。隨著區內鐵路工程項目的規劃建設，鐵路隧道將不可避免地穿越該區韌性剪切帶。通過現場調查、室內試驗及現場原位測試等多種手段，對區內韌性剪切帶的工程地質條件進行了較為全面的研究，并對鐵路隧道穿越時的圍巖等級進行了劃分，以期積累區內韌性剪切帶工程地質數據，為今后穿越該地區的隧道工程建設提供參考。

圖1 區域構造綱要

1 韌性剪切帶地層特征

五臺山太古界韌性剪切帶是在區域褶皺-推覆作用下發展起來的，由五臺旋回、呂梁旋回復合而成，不同旋回變質建造在空間上依次分布，晚期的建造以逆沖方式疊置在早期旋回建造之上，在逆沖過程中形成韌性剪切帶。分為五臺期韌性剪切帶和呂梁期韌性剪切帶[17]。經現場調查量測，剪切帶內地層傾向為230°～255°(SWW)，傾角一般為20°～30°，屬緩傾地層。

1.1 剪切變形強度分帶

按照剪切變形強度，區內韌性剪切帶可分為強變形帶和弱變形域。強變形帶由變晶糜棱巖和各種眼球狀糜棱片麻巖組成(見圖2)，弱變形域由各種變粒巖、變斑狀片麻巖等組成；強變形帶在空間上呈網狀，弱變形域分布其中。自弱變形域到強變形帶，巖石中礦物粒度逐漸減小，黑云母含量增加，同時出現微斜長石交斜長石的現象。在強變形帶中，新生糜棱面理斜截先期片麻理，并呈逆沖式壓疊關系，長英脈體發生不均勻褶曲或移位，剪切帶中石英脈發育，多順片理分布。

圖2 韌性剪切帶內巖芯

1.2 巖石及礦物組成

通過調查及室內巖礦鑒定，弱變形域內巖石主要為斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖和眼球狀黑云(角閃)斜長片麻巖；強變形帶典型巖石為眼球狀黑云斜長糜棱片麻巖、眼球狀黑云角閃斜長糜棱片麻巖、黑云糜棱片巖、黑云斜長糜棱片麻巖等，部分典型巖石的顯微構造見圖3～圖6。

圖3 斜長角閃巖顯微構造圖4 黑云斜長片麻巖顯微構造圖5 眼球狀黑云角閃斜長糜棱片麻巖顯微構造圖6 黑云斜長糜棱片麻巖顯微構造

巖石受韌性變形作用，沿片理方向可見碎裂現象，沿裂紋斜長石具破碎、雙晶彎曲、波狀消光等受力現象，黑云母具扭折、波狀消光等受力現象。

室內磨片試驗結果見表1和表2，從礦物組成來看，強變形帶和弱變形域內巖石礦物成分主要為黑云母、角閃石、斜長石、鉀長石及石英。弱變形域巖石中鉀長石、斜長石、石英含量占比相對較高，黑云母含量一般為10%～20%，隨變形程度的增大，強變形帶巖石中鉀長石含量顯著下降，角閃石逐漸退變為黑云母，黑云母含量明顯增加，一般為20%～30%，其中黑云糜棱片巖的黑云母含量高達65%～70%。

表1 弱變形域典型巖石的礦物組成

表2 強變形帶典型巖石的礦物組成

1.3 巖石的膨脹特征

取韌性剪切帶強變形帶巖樣，經破碎研磨，比照膨脹土的試驗方法進行膨脹性試驗，試驗結果見表3。按相關規范[18]，判定韌性剪切帶內巖石為非膨脹性巖土。

表3 巖石膨脹性測試結果

1.4 韌性剪切帶內地溫特征

在4個深鉆孔內進行井溫測試，測試結果見圖7。根據井溫數據，地表以下10～530 m范圍內地溫為8～15.6 ℃，平均地溫梯度為1.7～2.1 ℃/100 m，表明韌性剪切帶內地溫隨深度變化曲線符合正常的地溫變化規律。

圖7 井溫測試結果

2 隧道圍巖級別劃分

2.1 韌性剪切帶巖石強度特征

分別對弱變形域和強變形帶典型巖石進行單軸抗壓強度測試，并獲取軟化系數，測試結果見表4。由表4可知，弱變形域內各巖石單軸飽和抗壓強度平均值介于51.1～115.7 MPa，按照巖石堅硬程度劃分屬于硬質巖-極硬巖；軟化系數為0.79～0.84，屬于不易軟化類巖石。

表4 巖石強度及軟化系數測試結果

強變形帶內各巖石單軸飽和抗壓強度平均值介于24.0～40.5 MPa，屬較軟巖-硬巖；軟化系數為0.63～0.74，屬于易軟化類巖石。

此外，取斜長角閃巖進行抗拉強度測試，抗拉強度測試結果為3.81～6.02 MPa，平均抗拉強度為4.81 MPa，抗拉強度與抗壓強度比值為0.042。韌性剪切帶內的片麻巖片理發育，其抗拉強度較斜長角閃巖小。

2.2 韌性剪切帶巖體完整性測試

巖體的完整性指數是評價巖體完整程度的標志，有

(1)

式中，KV為巖體完整性指數；Vpm為巖體彈性縱波速度；Vpr為巖石彈性縱波速度，一般取現場新鮮巖石的縱波速度。

使用PSJ-2型數字測井儀在4個深孔內進行物探綜合測井測試，以研究韌性剪切帶巖體的完整性，4個鉆孔孔深分別為530 m(ZK1)、448 m(ZK2)、285 m(ZK3)、246 m(ZK4)，各鉆孔深部巖體的聲波速度見表5。工程中，采用PSJ-2型數字測井儀在鉆孔內測得的為巖體聲波速度，根據相關文獻[19-20]，巖體的聲波速度比地震波速度高約15%，故認為對KV值的影響較小，實際工程中采用聲波速度比值。

表5 不同鉆孔內巖體實測聲波速度

經實測，深部巖體完整性指數KV主要集中分布在0.5～0.75，見圖8。按相關規范[21]，巖體完整程度分級以較破碎-較完整為主，其中較破碎段落(KV=0.4～0.55)和完整段落(KV>0.75)僅局部分布在埋深小于300 m的范圍內?？梢娫摰貐^韌性剪切帶內巖體的完整性相對較好，與其他文獻中揭示的韌性剪切帶巖體完整性有較大區別。

圖8 不同鉆孔巖體完整性指數KV隨深度變化曲線

2.3 韌性剪切帶的地應力特征

采用水壓致裂原地應力測量方法在530 m深的鉆孔內進行地應力測試，地應力測試結果見表6。

表6 地應力測量結果

由表6可知，測量深度范圍內(36.65～507.1 m)，最大水平主應力值在2.93～10.54 MPa之間，最小水平主應力值在2.66～9.26 MPa之間?？傮w來看，36.65～285.0 m深度范圍內，應力大小以水平應力為主，主應力的關系為SV

在359.9 m和503.1 m兩個深度段進行水平主應力方向印模測量，破裂方位分別為N68°E和N72°E，可見測孔附近最大水平主應力的優勢作用方向為北北東。說明該區域受北東向構造運動影響，表現出北東-南西向擠壓應力，本次測試結果與前人統計五臺山地區整體區域應力基本一致[22]。

2.4 圍巖基本質量指標及圍巖分級

分別取表4和圖8中弱變形域和強變形帶典型巖石的單軸飽和抗壓強度Rc和完整性指數KV的平均值，計算圍巖基本質量指標BQ，并考慮地下水、主要結構面及初始地應力的影響，經修正得到圍巖基本質量指標修正值[BQ][23]。鉆探顯示，韌性剪切帶附近地下水發育，個別鉆孔承壓水甚至涌出孔口，故地下水影響系數K1按“淋雨狀或線流狀”取大值；剪切帶地層傾角一般為20°～30°，按照鐵路隧道選線原則，隧道走向與軟弱結構面走向大致呈正交，主要軟弱結構面產狀修正系數K2應為0.2～0.4，取平均值K2=0.3；根據地應力測試結果及巖石飽和抗壓強度試驗結果，初始地應力影響修正系數K3按高地應力區考慮，并取K3=0.5。根據以上取值，隧道圍巖BQ值及[BQ]值計算結果見表7。

表7 圍巖基本質量指標及修正結果

計算結果顯示，韌性剪切帶弱變形域[BQ]值為286～358，強變形帶[BQ]值為172～202，根據鐵路隧道圍巖分級標準，韌性剪切帶弱變形域圍巖以Ⅳ級為主，強變形帶隧道圍巖為Ⅴ級。

3 結論

(1)剪切帶內地層緩傾，由強變形帶和弱變形域組成，強變形帶內典型巖石為眼球狀黑云斜長糜棱片麻巖、眼球狀黑云角閃斜長糜棱片麻巖、黑云糜棱片巖、黑云斜長糜棱片麻巖等；弱變形域內巖石主要為斜長角閃巖、黑云斜長片麻巖和眼球狀黑云(角閃)斜長片麻巖等；巖石的礦物成分主要為黑云母、角閃石、斜長石、鉀長石及石英，且隨著剪切變形強度的增加，黑云母含量明顯增多，鉀長石含量顯著下降。

(2)按照巖石堅硬程度劃分，弱變形域巖石屬于硬質巖-極硬巖且不易軟化；強變形帶巖石為較軟巖-硬巖，易軟化。

(3)韌性剪切帶內巖石膨脹性較小，深部巖體完整性指數主要集中在0.5～0.75，巖體完整程度分級以較破碎-較完整為主。

(4)工程建設范圍內，韌性剪切帶的平均地溫梯度為1.7～2.1 ℃/100 m，符合正常的地溫變化規律；測量深度范圍內最大水平主應力值在2.93～10.54 MPa之間，最小水平主應力值在2.66～9.26 MPa之間，平均最大水平主應力方向為N70°E，表現出北東-南西向擠壓應力。

(5)弱變形域鐵路隧道圍巖以Ⅳ級為主，強變形帶隧道圍巖為Ⅴ級。