方解石的形成機制及其在巖溶隧道地質預報中的應用研究

任昌真，史友海，何 宇

(1.中鐵隧道集團有限公司貴廣鐵路工程指揮部，貴州都勻 558000;2.中鐵西南科學研究院，成都 610031)

0 引言

近年來，越來越多的隧道修建在巖溶地區。在巖溶地區，隧道施工存在風險高、費用高、施工難度大等特點，在巖溶隧道中做好超前地質預報工作顯得尤為重要。

有關巖溶隧道的預報方法，現在業界比較統一的共識是采用綜合法進行超前地質預報［1］。劉志剛的斷層參數法［2］，葉英利用地震波的角度偏移和位置偏移的聯合體系［3］，何發亮采用的聲學法和地質法聯合預報方法［4］等也都在巖溶隧道超前地質預報中進行了應用。

本文提出的觀點是根據巖體裂隙中方解石的產狀及變化特征來推測前方的地質情況。目前關于方解石的研究主要應用于礦物方面，如通過對方解石中稀土元素等特征及其指示意思的研究判斷礦床的形成與有機物的關系［5］;對其成巖環境進行研究有助于尋找需要的礦物組合［6］;對方解石礦床地質構造進行分析判別其構造成因［7］等。

在巖土工程領域，目前對方解石的力學性質、應力特征研究較少，然而作為施工過程中的常見礦物，筆者認為對其進行研究是有一定價值的，通過方解石的產出特征分析其與巖體或地質構造體的關系，對前方巖體做出預報。本文通過對方解石在巖溶隧道中的特征變化進行地質預報進行研究，希望能引起同仁的關注，在這方面做出更加深入的探討。

1 方解石概述及其形成機制

方解石是自然界中一種常見的礦物，化學成分為碳酸鈣，系沉積碳酸鹽類巖石的主要組成部分，關于碎屑巖中方解石等碳酸鹽礦物溶解-沉淀對于次生孔隙的生成和破壞的影響，目前已經取得了一系列的成果與認識，但絕大部分認識依然停留在定性研究階段。

方解石的母巖是石灰巖，在各種地質作用中均能形成，方解石的形成一般是沉積作用，有大氣降水成因，也有火山熱液作用沉積的［8］。方解石是自然界分布最廣的礦物之一，具有各種不同的成因類型。其形成類型主要有沉積型、熱液型、巖漿型，形成反應式為Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2。

2 方解石在巖溶隧道中的產出特點

在巖溶隧道中，由于碳酸鹽的沉積環境經?？梢姺浇馐貙用婊蚬澙砹严兑悦}狀、條帶狀或團塊狀的形式出露，在各種不同的構造環境中其發育特征各不相同［9］，結合地質學理論知識及現場統計分析結果大致可歸納出以下幾點。

2.1 溶蝕作用發育時方解石的產出特點

地下水和地表水相結合，對以碳酸鹽巖為主的可溶性巖石的化學溶解和侵蝕作用，稱為溶蝕作用［10］。溶蝕是一種很普遍的現象，其表現形式是多樣化的，是造成巖溶地貌形態多樣化的原因。

方解石的化學成分主要為CaCO3，本身具有可溶性。在存在二氧化碳和水的條件下，方解石發生化學反應生成易溶于水的碳酸氫鈣，即方解石的溶蝕作用，這種作用在自然界中以各種形式普遍存在［10-11］。

在碳酸鹽巖石中，影響溶蝕速度的主要因素是巖石的物質成分，其中方解石和白云石是碳酸鹽巖中的主要礦物成分。在相同的條件下，方解石的溶蝕速度大于白云石，在白云巖較發育的隧道中，溶蝕裂隙往往發育在方解石表面［11］。

2.2 斷層破碎帶發育時方解石的產出特點

巖石在斷裂變形階段產生的構造通稱為斷裂構造，凡兩側巖塊沿斷裂面發生顯著位移的斷裂構造稱為斷層。當斷層兩盤相對位移時，垂直位移方向的一些斷口上會出現小空隙，淋濾到小空隙中的溶液成分中若含CaCO3則析出結晶成方解石晶體，隨著位移不斷進行，空隙不斷增大，晶體沿著空隙增大的方向不斷增長，最終形成纖維狀晶體。纖維狀晶體的延伸方向，指示了斷層兩盤相對位移方向。因此，方解石含量的突然增加“有可能”說明了斷層的存在。

根據產生的力學性質，斷層可分為壓性斷層、張性斷層和扭性斷層，本文主要討論方解石在壓性和張性斷層中的產出特點。

發育完整的壓性斷層通常由主干斷層帶、斷層破碎帶和斷層影響帶組成。其中，主干斷層帶多為斷層泥和糜棱巖。由于主干斷層帶附近裂隙增多，通常情況下方解石沿裂隙發育成櫛狀或脈狀，形成方解石團塊或方解石條帶。受到斷層作用，方解石發生破碎、混雜、彎曲、揉皺等變化，部分方解石受到斷層強烈破碎塑變作用糜棱化，研磨成粉粒，使細小的碎粒處在塑性流變狀態下而呈定向排列。

張性斷層主干斷層帶由張裂角礫巖組成，角礫棱角顯著、大小不一、一般無定向排列，角礫的成分與斷層兩盤的成分相同，一般具有良好的導水特性。張性斷層主干斷層兩側破碎帶巖體破碎，方解石在張性斷層中主要表現出在主干斷層兩側較破碎，呈碎粒狀，而在主干斷層帶中呈角礫化產出的特征。

通常情況下，一條主干斷層是經過多時期多種應力狀態綜合多次力學作用形成的產物，主干斷層附近往往伴有不同受力結構的次級斷層。因此，在斷層帶附近觀察到的方解石經常是既具有壓性斷層的碾壓特征，又包含張性斷層的拉張特征。

2.3 地下水發育時方解石的產出特點

在隧道施工過程中經常遇到地下水，常見的地下水出露類型有巖溶水、構造裂隙水和基巖裂隙水。

若施工中揭穿孤立充水巖溶，則涌水量在穩定一定時間后多呈現下降趨勢直至枯竭，地下巖溶多具連通性，特別是地下巖溶與地表巖溶、地表河流相連通時，隧道內揭穿巖溶涌水量大、時間長，且涌水量變化與地面大氣降雨有直接的聯系。

方解石常常發育在碳酸鹽環境中，在灰巖發育地區經常伴生有方解石，且方解石多沿巖層層理或節理、斷層等形成的裂隙發育，加上其自身具有可溶性，故在地下水發育地區，方解石含量與地下水出露數量往往呈正相關關系，即方解石含量增多的地區通常有較多的地下水發育。

3 某隧道地質預報工程實例

3.1 巖溶預報

巴岳山隧道為在建成渝復線上的一座長大隧道，全長3 km，隧址區穿越地層巖性有灰巖、白云巖、砂巖以及頁巖等，可溶巖占到50%以上，施工中可能遇到巖溶及地下水等災害。

當隧道掘進至DK35+820時，巖性為淺灰色白云質灰巖夾灰白、淺灰色白云巖，局部表面為褐紅色，圍巖以中厚層夾薄層產出，地下水發育，拱頂見多處點線狀流水，右側拱腰位置見一股狀流水。

繼續掘進后發現掌子面及邊墻方解石含量明顯增多，多沿巖層順層產出，局部以脈狀形式發育，方解石晶型較好，呈塊狀產出，玻璃光澤，晶體完整，表面光滑，無明顯構造跡象，與巖層結合較好。

設計上該段處于Ⅲ級圍巖區域，物探法采用TSP進行了地震波探測，分析結果中DK35+790、DK35+765出現數值異常。

當開挖至DK35+795里程時掌子面發育一溶洞，溶洞寬約9 m、高約5 m、深約20 m，向掌子面中部及右側遂底延伸，溶洞內充填少量礫石及碎石塊，并有大量方解石晶體沿洞壁產出(見圖1)。

圖1 溶洞發育照片Fig.1 Picture of karst cave

通過對現場的地質跟蹤調查，及時指出了前方可能發育的災害地質情況，提前采取預防措施，降低了施工風險。

3.2 斷層及地下水預報

三都隧道為在建貴廣線上的一座長大隧道，全長14.6 km，根據勘察設計文件，隧道集中了斷層、褶皺、巖溶、高地應力、富水等多種不良地質現象，地質條件極為復雜，屬于Ⅰ級高風險隧道。隧道主要穿越白云巖、灰巖、泥灰巖、砂巖等地層，可溶巖占隧道總長的70%以上，隧區范圍內巖溶發育，地表多見漏斗、泉點以及暗河出口，洞身大部分段落位于水平循環帶內，隧道施工時易發生突水突泥地質災害。

當三都隧道1#橫洞施工至DK130+620里程時，巖性為深灰色薄至中厚層灰巖與乳白色方解石呈條帶狀產出，方解石呈纖維狀產出，玻璃光澤，晶體不完整，條帶厚0.1～0.3 m，方解石形態以“T”字形產出，與巖層緊密結合。方解石表面可見受錯動影響形成的擦痕，部分方解石受構造擠壓呈現糜棱化現象，巖質軟，穩定性較差。掌子面地質素描及跟蹤調查照片如圖2和圖3所示，其中充填區域為方解石發育區域。

根據現場情況分析可知目前掌子面巖石中有少量斷層跡象，設計情況為在前方里程DK130+250處發育一區域性的壓性斷層，帶內物質為斷層角礫及斷層角礫巖。結合設計和物探情況分析目前已經進入壓性斷層的外帶，推測前方隨著掘進深入巖體將變破碎，并伴有地下水出露，穩定性較差，易滑塌掉塊。

現場跟蹤地質調查結果顯示掌子面及邊墻巖層中方解石含量明顯增多，其具體統計見表1。方解石多與層面平行產出，局部以櫛狀、脈狀的形式充填于巖體裂隙中。圍巖較破碎至破碎，局部可見擠壓錯動現象，地下水含量明顯增多，以雨淋狀及小股狀的形式出露。

本段采用了TSP作為物探方法，根據測試數據分析結果(見圖4)判斷:前方120 m(DK130+620～+500)圍巖總體較破碎，局部破碎，受構造作用部分地段發育長大不利結構面及斷層破碎帶，并伴有溶蝕裂隙發育其中，圍巖穩定性總體較差至差，地下水總體較發育至發育。本測段主要以防止拱頂圍巖失穩、坍塌掉塊及掌子面的突水突泥為主。

表1 方解石形態統計Table 1 Statistics of calcite forms

圖4 TSP測試成果圖片Fig.4 TSP prediction results

由圖4可知，DK130+580以后縱波速度降低，表明巖體中裂隙度增加，圍巖變破碎。

根據開挖驗證在DK130+560里程位置進入主干斷層區域，與設計上有一定距離的誤差。斷層帶內巖體破碎，主干斷層帶附近發育糜棱巖和斷層泥。掘進至DK130+580附近地下水較發育，拱頂位置地下水多以淋雨狀至小股狀的形式出露。

通過現場的跟蹤地質調查，及時發現了方解石含量的變化及構造形跡的出現，為下一階段的施工提出了針對性的意見，為順利通過斷層帶打下了良好的基礎。

3.3 涌水預報

三都隧道2#橫洞至出口段長3.2 km，2#橫洞進口段及出口段為泥巖、頁巖、砂巖等沉積巖地層，橫洞及出口中部穿越由碳酸巖組成的向斜核部區域，存在涌水涌泥風險。

根據勘察設計資料，決定在非可溶巖區域采用一種物探手段進行地質預報，在可溶巖區域采用“長距離和短距離相結合，物探和鉆探相結合”的綜合方法進行地質預報。在具體的實施過程中，物探上采用了地震波法進行長距離控制性預報，地質雷達進行短距離精確復核預報;再結合現場的跟蹤地質調查和超前水平鉆探對前方巖體進行綜合地質預報。

當掘進至DK135+559時進行了TSP測試，當時掌子面巖性為淺灰、灰白色白云質灰巖，巖石以薄至中厚層狀產出，巖石中發育方解石條帶和方解石團塊，方解石條帶單層厚0.2～0.4 m，巖體總體較破碎，局部破碎，巖體自穩能力一般。地下水較發育，拱頂見多處點線狀滴水。TSP測試結果見表2。

表2 TSP探測結果表Table 2 Prediction results of TSP

隨著隧道掘進，跟蹤地質調查發現方解石由較完整狀態逐漸變化為受到擠壓破碎的松散碎裂狀，局部有受到斷層錯動影響的糜棱化跡象，方解石的晶體形態主要為鐘乳狀、纖維狀等，與巖層的填充關系由層間充填、條帶狀充填變化為不規則的脈狀、帶狀充填;方解石含量有沿邊墻增多的趨勢，地下水較前段發育，出水形式以雨淋狀至小股狀為主。方解石充填情況見圖5。

據此情況，在TSP異常部位DK135+520～+470段連續施作地質雷達探測，其中對DK135+508掌子面進行探測。探測結果分析認為掌子面前方DK135+508～+503段巖體整體較完整，局部含方解石巖脈及塊，局部較溶蝕破碎。DK135+503、DK135+499、DK135+497、DK135+488 推測為溶蝕裂隙發育，有巖溶裂隙水流。地層雷達探測及解譯如圖6和圖7所示。

按照地質調查及物探綜合結論，在DK135+508掌子面施作5個水平鉆孔進行驗證。結果，在鉆探過程中有大量地下水順鉆孔涌出，涌水量最大時約為2 000 m3/h。通過各種資料綜合分析，該涌水是由前方斷層破碎帶連接巖層中的溶蝕裂隙造成的，通過地質預報提前探知了這一涌水風險，避免了人員傷亡及機具損失。

4 結論與體會

1)在隧道施工過程中，通過對掌子面及邊墻方解石含量的變化以及其產出特點的研究，從而推測前方可能遇到的地質情況，屬于地質法里面的趨勢前兆法。通過本文實踐證明這一方法確有應用價值，若能長期跟蹤統計調查再結合物探結果綜合分析，可以較準確地推斷出前方的異常地質體性質，尤其對巖溶隧道通過高風險區域能起到較好的施工指導作用。

2)目前的隧道超前地質預報主要是以地質法為基礎，以物探和鉆探為手段進行的。在實際的預報工作中切不可忽略現場地質的變化，若未注意到巖性、產狀的改變則有可能導致預報的失敗，故在預報工作中不能一味注重于對物探結果的分析，要將物探結果和地質情況綜合分析，合理判釋，才能做出較準確的預報。

3)在地質學上，通過對微觀現象的歸納分析來判斷宏觀地質構造，是有理論基礎的，也是構造地質學上常用的一種研究方法。具體到不同的地質環境中其研究方法手段各異，但總體思路是一致的，與哲學上的量變引起質變有相似之處。

4)本文旨在提出這樣一種觀點，即根據自然界中的一種常見的物體或者現象進行統計分析，觀察其在不同環境下的變化特征，通過不同地區、不同構造環境下的對比來進行一系列歸類統計。當然，不是所有地區其變化特征都相似，但見微知著，若能通過某種地質體顯著的變化結合物探異常來進行地質預報，如通過某種現象的出現對斷層或巖溶能起到指示或提示作用，則能大大提高地質預報的準確性;如方解石多充填于巖體的裂隙中，在隧道施工中常見這一礦物，若能對其加以深入研究通過在不同環境下呈現的不同特征結合物探資料來推斷前方的異常地質現象，則預報的精確度要較純粹通過物探分析高出許多。然而，目前關于這方面的研究主要停留在定性研究階段，在巖土工程領域還沒有將其進行定量分析研究用于地質預報的做法;學術界目前對方解石的應用研究總體用于探礦較多，用于巖土工程較少，還需要在以后的工作實踐中不斷完善豐富，形成一套適用于巖土工程的應用系統。

［1］ 何發亮，李蒼松，陳成宗.隧道地質超前預報［M］.成都:西南交通大學出版社，2006.

［2］ 劉志剛，凌宏億，俞文生.隧道隧洞超前地質預報［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］ 葉英.隧道施工超前地質預報［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［4］ 何發亮，張玉川.隧道施工地質災害與不良地質體及其預報［M］.成都:西南交通大學出版社，2011.

［5］ 王加昇，溫漢捷，石少華.湘黔汞礦帶脈石礦物方解石稀土元素、碳氧同位素特征及其指示意義［J］.礦物學報，2010(2):185-193.(WANG Jiasheng，WEN Hanjie，SHI Shaohua.Characteristics and implications of REE，carbon and oxygen isotopes of hydrothermal calcite from the mercury metallogenic belt in Hunan and Guizhou provinces，China［J］.Acta Mineralogica Sinica，2010(2):185-193.(in Chinese))

［6］ 王芙蓉，何生，楊興業.中揚子海相碳酸鹽巖中方解石脈成巖環境研究［J］.石油實驗地質，2011(1):60-64，69.(WANG Furong，HE Sheng，YANG Xingye.Diagenetic environments of calcite veins hosted in marine carbonate rocks in middle Yangtze region of South China［J］.Petroleum Geology＆ Experiment，2011(1):60-64，69.(in Chinese))

［7］ 樂成生，徐瑩.安徽省涇縣陳園山方解石礦礦床地質特征及成因［J］.科技信息，2012(7):617，628.

［8］ 阮壯，于炳松，李朝暉，等.埋藏條件下方解石熱力學平衡及其在塔河油田埋藏巖溶預測中的應用［J］.吉林大學學報:地球科學版，2011(4):71-78.(RUAN Zhuang，YU Bingsong，LI Zhaohui，et al.Thermodynamic equilibrium of calcite in strata environment and its application of burial karst forcasting in tahe oil field，tarim basin［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2011(4):71-78.(in Chinese))

［9］ 陳成宗，何發亮.隧道工程地質與聲波探測技術［M］.成都:西南交通大學出版社，2005.

［10］ 俞錦標，李春華，趙培道，等.貴州普定縣巖溶地區土壤空氣中CO2含量分布及溶蝕作用的研究［J］.中國巖溶，1985(4):325-331.(YU Jinbiao，LI Chunhua，ZHAO Peidao，et al.Study on carbon dioxide content in soil air and corrosion of carbonate rocks in karst area of Puding county，Guizhou province［J］.Carsologica Sinica，1985(4):325-331.(in Chinese))

［11］ 孟杰，寇海峰.方解石的溶蝕及其意義［J］.科技傳播，2011(10):111，107.