巖土工程勘察中對斷層破碎帶的綜合研究方法

摘要：巖土工程勘察中，經常會遇到由斷層所造成的巖石強烈破碎地段，破碎帶的寬度有達數百米甚至上千米者，長度可為數十米乃至數十千米；工程性質也較為復雜，對城市軌道交通、公路隧道、大規模建筑物等工程建設帶來很大影響。以往的巖土工程勘察由于手段有限，對揭露的斷層認識不夠全面和細致，對其分析也存在一定局限性。近年來，隨著城市建設速度的加快，以及地球物理勘探技術的發展和普及，如何在巖土工程勘察過程中詳細查明斷層破碎帶的工程特性，對工程的安全設計以及后續施工中結構的安全穩定，具有重大意義。

關鍵詞：巖土工程勘察；斷層破碎帶；綜合研究；地球物理勘探技術

引言

近年來，隨著國家大力發展交通工程基礎建設，城市軌道交通、鐵路線網、高速公路等建設進程均已位于世界前列，城市的規劃發展建設也進入一個新階段。在工程建設過程中，經常遇到各種規模的斷層破碎帶，對工程建設提出一定的挑戰。利用目前較為領先的技術手段，可較全面地認識和研究巖土工程勘查中揭露的斷層難題，提高巖土工程勘查質量，降低工程地質條件引發的施工風險，并節約工程造價，避免資源浪費和工程造價的重復投入。

1.斷層破碎帶的初步認識

在巖土工程勘查過程中，對揭露到特殊的巖芯要進行留意，如綠色的泥狀物，碎裂嚴重的巖芯，有擠壓紋理的巖芯，采取率較低與區域地質地層巖性有顯著區別的巖土心樣等。對此類鉆孔巖芯需要進行進一步研究，可對具有代表性的芯樣進行巖礦鑒定分析，判別芯樣是否屬于斷層破碎帶內物質，確定斷層破碎帶的母巖巖性，分析巖石和斷層構造巖的礦物成分、結構、構造及膠結物質。采用掃描電鏡，對粒徑<0.002mm的斷層泥及泥巖類軟巖的黏土礦物進行微觀結構分析；采用原子吸收法，分析斷層泥及泥巖類軟巖的化學成分；采用X射線衍射法，分析斷層泥及泥巖類的黏土礦物的構成及相對含量。開展常規的物理力學性質試驗，包括泥巖、粉砂巖的耐崩解性試驗，膨脹性試驗研究；再結合區域地質資料，可對斷層進行測年工作，用以判定斷層的形成時代和是否為活動性斷層，以及場地對工程建設的適宜性如何。結合區域地質資料，對場地范圍內發育的斷層破碎帶有一個較為直白的初步認識。

2.斷層破碎帶的巖性特征研究

針對巖土工程勘查中揭露到的斷層破碎帶，需要結合工程性質對斷層破碎帶的范圍進行確定。建議加密勘查鉆孔，以確定斷層破碎帶的大致平面分布范圍；在鉆孔深度范圍內，探明其垂向空間分布深度范圍。根據鉆孔揭露的地層巖芯，確定斷層破碎帶的分類，一般來說分為：土狀斷層破碎帶、角礫狀斷層破碎帶和碎塊狀斷層破碎帶，如表1和圖1、圖2、圖3所示。綜合利用高精度遙感圖像解譯、野外和鉆孔等綜合勘查手段，并通過野外和開挖露頭及鉆孔巖芯詳細觀測、勘查資料分析，編制大比例尺工程地質平面圖、橫剖面圖和縱剖面圖，進一步厘定斷裂帶的三維空間分布和組成特征，厘定基巖的巖性分層及上覆的第四系沉積物的分層特征。

3.斷層破碎帶的地球物理勘探研究

目前根據僅有的常規鉆探方法，無法迅速詳細查明斷層破碎帶分布和規模。結合目前較為常用的地球物理勘查技術手段及輔助鉆探，在有效時間內可準確地查明斷層破碎帶的空間和巖土性狀分布范圍。目前應用較為廣泛的地球物理探測技術，詳見表2。

通過常規鉆探和輔助的地球物理勘探方法，對斷層破碎帶在水平向和垂向上的形態分布有了一個基本的認識；結合擬建工程的埋深和形態結構，可以確定二者的相互位置關系。斷層破碎帶與建筑結構一般來說分為3種：線路結構與斷層破碎帶相互穿越；建筑結構坐落于斷層破碎帶上；斷層破碎帶位于建筑結構上方。確定擬建工程與斷層破碎帶關系之后，可針對性地對斷層破碎帶的相關工程性質進行專項研究。

4.斷層破碎帶的三維可視化研究

近年來計算機技術快速發展，為利用計算機進行復雜的圖形處理和數學計算提供了基礎平臺。三維建模技術也獲得了快速發展，并成為了地學研究和應用領域的基本手段之一。自SimonW.Houlding（1994）提出三維地質模擬概念以來，地質信息的三維可視化逐漸受到重視，不少學者從各種角度或所在研究領域提出了不同的理論與方法。三維建模流程如下：

4.1收集整理現場的鉆孔數據，分析鉆孔巖芯照片，對所涉及地層進行劃分。利用劃分后的分層信息和斷裂信息，對鉆孔剖面進行人機交互繪制。

4.2在AutoCAD中，將二維鉆孔剖面轉換成三維剖面，將鉆孔中的地層分層位置轉換成三維空間中的點，將鉆孔中的地層分界線和斷裂線轉換成三維線。

4.3利用GOCAD軟件中的工作流程建模方法重構地層面和斷層面，可以清晰地了解斷層分布的水平范圍和垂直深度范圍。（圖4）

5.斷層破碎帶工程性質研究

5.1物理力學性質研究

5.1.1斷層破碎帶需要結合性狀分類，進行現場取樣和物理力學指標的初步測定。對土狀和泥狀斷層破碎帶，一般進行室內常規土工試驗；對碎塊狀斷層破碎帶，可取樣進行室內點荷載試驗，以查明其抗壓強度；對于角礫狀斷層破碎帶，取樣工作難以進行，建議進行現場原位測試，以確定其工程性質。

5.1.2在巖土工程勘查施工過程中，需要對不同性狀的破碎帶進行針對性的原位測試方法：土狀、泥狀斷層破碎帶和角礫狀斷層破碎帶，可進行標準貫入試驗；碎塊狀斷層破碎帶可進行圓錐重力觸探試驗或超重型圓錐動力觸探試驗。為了獲得更多的參數，可以進行波速電阻率測試，用以提供斷層破碎帶的力學性質，以對其強度、變形參數和地基承載力有進一步的認識。

5.1.3如具備場地條件，可在現場進行原位直剪試驗、載荷試驗和現場旁壓測試，對斷層破碎帶的力學性質做更進一步的了解，為設計支護結構和地基承載力提供最直接的依據。

5.2水文地質研究

查明斷層破碎帶的富水性、導水性和滲透系數等特征參數，是工程建設最為重要的設計依據之一。結合擬建工程結構和斷層破碎帶的相互位置關系，并結合斷層破碎帶性狀，針對性地布置水文地質測試鉆孔，以查明不同性狀的斷層破碎帶其滲透系數、導水性和富水性等水文地質參數，并對基坑或盾構隧道進行涌水量預測，為設計降水措施和止水方案，提供依據以保障施工安全。

在水文地質試驗的基礎上，取水樣進行工程水分析檢測。根據不同位置地下水樣的水腐蝕性分析結果，針對不同的環境類型、含水層滲透性、浸水條件等，進行構造裂隙水對建筑材料的腐蝕性分析評價。

5.3其他研究

5.3.1對于針對性的勘查鉆孔，運用孔內電視進行觀測，可以觀察到不同深度處的破碎程度以及褶曲分布，對斷層破碎帶的分布及巖性特征有更為清晰的了解。

5.3.2目前，對于明挖基坑范圍發育的斷層破碎帶，需要對斷層破碎帶進行土壤氡氣濃度檢測，判別是否需要采取防氡工程措施；在此基礎上，可進行有毒有害氣體測試，如氰化氫、一氧化碳、硫化氫、甲烷等有害氣體，以分析施工過程中需要防護的措施。

6.結論

6.1在巖土工程勘查中遇到斷層破碎帶，首先要對破碎帶的分布范圍、產狀和規模進行初步確定，并對其巖性特征進行分類，形成時代進行判別。

6.2輔助以地球物理探測手段和地質三維建模，可精細地確定斷層破碎帶的三維空間分布，由此確定擬建工程結構與斷層破碎帶的相互位置關系。

6.3對斷層進行的工程性質研究，可細分為物理力學性質研究，水文地質性質研究，以及有毒有害氣體和土壤氡氣濃度研究等其他研究，是對工程建設最為重要的研究。

上述方法為目前巖土工程勘查過程中，對斷層破碎帶的綜合研究方法（圖5），可為工程建設提供選址、工程結構分布和設計提供依據。為滿足建筑物的承載能力，限制變形、抗滑和防滲等要求，對斷層破碎帶進行處理的工程措施進行建議，為后續施工提供水文參數的指導，對工程的安全設計以及后續施工中結構的安全穩定性，具有重大意義。

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