方解石的形成机制及其在岩溶隧道地质预报中的应用研究

任昌真，史友海，何 宇

(1.中铁隧道集团有限公司贵广铁路工程指挥部，贵州都匀 558000;2.中铁西南科学研究院，成都 610031)

0 引言

近年来，越来越多的隧道修建在岩溶地区。在岩溶地区，隧道施工存在风险高、费用高、施工难度大等特点，在岩溶隧道中做好超前地质预报工作显得尤为重要。

有关岩溶隧道的预报方法，现在业界比较统一的共识是采用综合法进行超前地质预报［1］。刘志刚的断层参数法［2］，叶英利用地震波的角度偏移和位置偏移的联合体系［3］，何发亮采用的声学法和地质法联合预报方法［4］等也都在岩溶隧道超前地质预报中进行了应用。

本文提出的观点是根据岩体裂隙中方解石的产状及变化特征来推测前方的地质情况。目前关于方解石的研究主要应用于矿物方面，如通过对方解石中稀土元素等特征及其指示意思的研究判断矿床的形成与有机物的关系［5］;对其成岩环境进行研究有助于寻找需要的矿物组合［6］;对方解石矿床地质构造进行分析判别其构造成因［7］等。

在岩土工程领域，目前对方解石的力学性质、应力特征研究较少，然而作为施工过程中的常见矿物，笔者认为对其进行研究是有一定价值的，通过方解石的产出特征分析其与岩体或地质构造体的关系，对前方岩体做出预报。本文通过对方解石在岩溶隧道中的特征变化进行地质预报进行研究，希望能引起同仁的关注，在这方面做出更加深入的探讨。

1 方解石概述及其形成机制

方解石是自然界中一种常见的矿物，化学成分为碳酸钙，系沉积碳酸盐类岩石的主要组成部分，关于碎屑岩中方解石等碳酸盐矿物溶解-沉淀对于次生孔隙的生成和破坏的影响，目前已经取得了一系列的成果与认识，但绝大部分认识依然停留在定性研究阶段。

方解石的母岩是石灰岩，在各种地质作用中均能形成，方解石的形成一般是沉积作用，有大气降水成因，也有火山热液作用沉积的［8］。方解石是自然界分布最广的矿物之一，具有各种不同的成因类型。其形成类型主要有沉积型、热液型、岩浆型，形成反应式为Ca(HCO3)2=CaCO3+H2O+CO2。

2 方解石在岩溶隧道中的产出特点

在岩溶隧道中，由于碳酸盐的沉积环境经常可见方解石沿层面或节理裂隙以脉状、条带状或团块状的形式出露，在各种不同的构造环境中其发育特征各不相同［9］，结合地质学理论知识及现场统计分析结果大致可归纳出以下几点。

2.1 溶蚀作用发育时方解石的产出特点

地下水和地表水相结合，对以碳酸盐岩为主的可溶性岩石的化学溶解和侵蚀作用，称为溶蚀作用［10］。溶蚀是一种很普遍的现象，其表现形式是多样化的，是造成岩溶地貌形态多样化的原因。

方解石的化学成分主要为CaCO3，本身具有可溶性。在存在二氧化碳和水的条件下，方解石发生化学反应生成易溶于水的碳酸氢钙，即方解石的溶蚀作用，这种作用在自然界中以各种形式普遍存在［10-11］。

在碳酸盐岩石中，影响溶蚀速度的主要因素是岩石的物质成分，其中方解石和白云石是碳酸盐岩中的主要矿物成分。在相同的条件下，方解石的溶蚀速度大于白云石，在白云岩较发育的隧道中，溶蚀裂隙往往发育在方解石表面［11］。

2.2 断层破碎带发育时方解石的产出特点

岩石在断裂变形阶段产生的构造通称为断裂构造，凡两侧岩块沿断裂面发生显著位移的断裂构造称为断层。当断层两盘相对位移时，垂直位移方向的一些断口上会出现小空隙，淋滤到小空隙中的溶液成分中若含CaCO3则析出结晶成方解石晶体，随着位移不断进行，空隙不断增大，晶体沿着空隙增大的方向不断增长，最终形成纤维状晶体。纤维状晶体的延伸方向，指示了断层两盘相对位移方向。因此，方解石含量的突然增加“有可能”说明了断层的存在。

根据产生的力学性质，断层可分为压性断层、张性断层和扭性断层，本文主要讨论方解石在压性和张性断层中的产出特点。

发育完整的压性断层通常由主干断层带、断层破碎带和断层影响带组成。其中，主干断层带多为断层泥和糜棱岩。由于主干断层带附近裂隙增多，通常情况下方解石沿裂隙发育成栉状或脉状，形成方解石团块或方解石条带。受到断层作用，方解石发生破碎、混杂、弯曲、揉皱等变化，部分方解石受到断层强烈破碎塑变作用糜棱化，研磨成粉粒，使细小的碎粒处在塑性流变状态下而呈定向排列。

张性断层主干断层带由张裂角砾岩组成，角砾棱角显著、大小不一、一般无定向排列，角砾的成分与断层两盘的成分相同，一般具有良好的导水特性。张性断层主干断层两侧破碎带岩体破碎，方解石在张性断层中主要表现出在主干断层两侧较破碎，呈碎粒状，而在主干断层带中呈角砾化产出的特征。

通常情况下，一条主干断层是经过多时期多种应力状态综合多次力学作用形成的产物，主干断层附近往往伴有不同受力结构的次级断层。因此，在断层带附近观察到的方解石经常是既具有压性断层的碾压特征，又包含张性断层的拉张特征。

2.3 地下水发育时方解石的产出特点

在隧道施工过程中经常遇到地下水，常见的地下水出露类型有岩溶水、构造裂隙水和基岩裂隙水。

若施工中揭穿孤立充水岩溶，则涌水量在稳定一定时间后多呈现下降趋势直至枯竭，地下岩溶多具连通性，特别是地下岩溶与地表岩溶、地表河流相连通时，隧道内揭穿岩溶涌水量大、时间长，且涌水量变化与地面大气降雨有直接的联系。

方解石常常发育在碳酸盐环境中，在灰岩发育地区经常伴生有方解石，且方解石多沿岩层层理或节理、断层等形成的裂隙发育，加上其自身具有可溶性，故在地下水发育地区，方解石含量与地下水出露数量往往呈正相关关系，即方解石含量增多的地区通常有较多的地下水发育。

3 某隧道地质预报工程实例

3.1 岩溶预报

巴岳山隧道为在建成渝复线上的一座长大隧道，全长3 km，隧址区穿越地层岩性有灰岩、白云岩、砂岩以及页岩等，可溶岩占到50%以上，施工中可能遇到岩溶及地下水等灾害。

当隧道掘进至DK35+820时，岩性为浅灰色白云质灰岩夹灰白、浅灰色白云岩，局部表面为褐红色，围岩以中厚层夹薄层产出，地下水发育，拱顶见多处点线状流水，右侧拱腰位置见一股状流水。

继续掘进后发现掌子面及边墙方解石含量明显增多，多沿岩层顺层产出，局部以脉状形式发育，方解石晶型较好，呈块状产出，玻璃光泽，晶体完整，表面光滑，无明显构造迹象，与岩层结合较好。

设计上该段处于Ⅲ级围岩区域，物探法采用TSP进行了地震波探测，分析结果中DK35+790、DK35+765出现数值异常。

当开挖至DK35+795里程时掌子面发育一溶洞，溶洞宽约9 m、高约5 m、深约20 m，向掌子面中部及右侧遂底延伸，溶洞内充填少量砾石及碎石块，并有大量方解石晶体沿洞壁产出(见图1)。

图1 溶洞发育照片Fig.1 Picture of karst cave

通过对现场的地质跟踪调查，及时指出了前方可能发育的灾害地质情况，提前采取预防措施，降低了施工风险。

3.2 断层及地下水预报

三都隧道为在建贵广线上的一座长大隧道，全长14.6 km，根据勘察设计文件，隧道集中了断层、褶皱、岩溶、高地应力、富水等多种不良地质现象，地质条件极为复杂，属于Ⅰ级高风险隧道。隧道主要穿越白云岩、灰岩、泥灰岩、砂岩等地层，可溶岩占隧道总长的70%以上，隧区范围内岩溶发育，地表多见漏斗、泉点以及暗河出口，洞身大部分段落位于水平循环带内，隧道施工时易发生突水突泥地质灾害。

当三都隧道1#横洞施工至DK130+620里程时，岩性为深灰色薄至中厚层灰岩与乳白色方解石呈条带状产出，方解石呈纤维状产出，玻璃光泽，晶体不完整，条带厚0.1～0.3 m，方解石形态以“T”字形产出，与岩层紧密结合。方解石表面可见受错动影响形成的擦痕，部分方解石受构造挤压呈现糜棱化现象，岩质软，稳定性较差。掌子面地质素描及跟踪调查照片如图2和图3所示，其中充填区域为方解石发育区域。

根据现场情况分析可知目前掌子面岩石中有少量断层迹象，设计情况为在前方里程DK130+250处发育一区域性的压性断层，带内物质为断层角砾及断层角砾岩。结合设计和物探情况分析目前已经进入压性断层的外带，推测前方随着掘进深入岩体将变破碎，并伴有地下水出露，稳定性较差，易滑塌掉块。

现场跟踪地质调查结果显示掌子面及边墙岩层中方解石含量明显增多，其具体统计见表1。方解石多与层面平行产出，局部以栉状、脉状的形式充填于岩体裂隙中。围岩较破碎至破碎，局部可见挤压错动现象，地下水含量明显增多，以雨淋状及小股状的形式出露。

本段采用了TSP作为物探方法，根据测试数据分析结果(见图4)判断:前方120 m(DK130+620～+500)围岩总体较破碎，局部破碎，受构造作用部分地段发育长大不利结构面及断层破碎带，并伴有溶蚀裂隙发育其中，围岩稳定性总体较差至差，地下水总体较发育至发育。本测段主要以防止拱顶围岩失稳、坍塌掉块及掌子面的突水突泥为主。

表1 方解石形态统计Table 1 Statistics of calcite forms

图4 TSP测试成果图片Fig.4 TSP prediction results

由图4可知，DK130+580以后纵波速度降低，表明岩体中裂隙度增加，围岩变破碎。

根据开挖验证在DK130+560里程位置进入主干断层区域，与设计上有一定距离的误差。断层带内岩体破碎，主干断层带附近发育糜棱岩和断层泥。掘进至DK130+580附近地下水较发育，拱顶位置地下水多以淋雨状至小股状的形式出露。

通过现场的跟踪地质调查，及时发现了方解石含量的变化及构造形迹的出现，为下一阶段的施工提出了针对性的意见，为顺利通过断层带打下了良好的基础。

3.3 涌水预报

三都隧道2#横洞至出口段长3.2 km，2#横洞进口段及出口段为泥岩、页岩、砂岩等沉积岩地层，横洞及出口中部穿越由碳酸岩组成的向斜核部区域，存在涌水涌泥风险。

根据勘察设计资料，决定在非可溶岩区域采用一种物探手段进行地质预报，在可溶岩区域采用“长距离和短距离相结合，物探和钻探相结合”的综合方法进行地质预报。在具体的实施过程中，物探上采用了地震波法进行长距离控制性预报，地质雷达进行短距离精确复核预报;再结合现场的跟踪地质调查和超前水平钻探对前方岩体进行综合地质预报。

当掘进至DK135+559时进行了TSP测试，当时掌子面岩性为浅灰、灰白色白云质灰岩，岩石以薄至中厚层状产出，岩石中发育方解石条带和方解石团块，方解石条带单层厚0.2～0.4 m，岩体总体较破碎，局部破碎，岩体自稳能力一般。地下水较发育，拱顶见多处点线状滴水。TSP测试结果见表2。

表2 TSP探测结果表Table 2 Prediction results of TSP

随着隧道掘进，跟踪地质调查发现方解石由较完整状态逐渐变化为受到挤压破碎的松散碎裂状，局部有受到断层错动影响的糜棱化迹象，方解石的晶体形态主要为钟乳状、纤维状等，与岩层的填充关系由层间充填、条带状充填变化为不规则的脉状、带状充填;方解石含量有沿边墙增多的趋势，地下水较前段发育，出水形式以雨淋状至小股状为主。方解石充填情况见图5。

据此情况，在TSP异常部位DK135+520～+470段连续施作地质雷达探测，其中对DK135+508掌子面进行探测。探测结果分析认为掌子面前方DK135+508～+503段岩体整体较完整，局部含方解石岩脉及块，局部较溶蚀破碎。DK135+503、DK135+499、DK135+497、DK135+488 推测为溶蚀裂隙发育，有岩溶裂隙水流。地层雷达探测及解译如图6和图7所示。

按照地质调查及物探综合结论，在DK135+508掌子面施作5个水平钻孔进行验证。结果，在钻探过程中有大量地下水顺钻孔涌出，涌水量最大时约为2 000 m3/h。通过各种资料综合分析，该涌水是由前方断层破碎带连接岩层中的溶蚀裂隙造成的，通过地质预报提前探知了这一涌水风险，避免了人员伤亡及机具损失。

4 结论与体会

1)在隧道施工过程中，通过对掌子面及边墙方解石含量的变化以及其产出特点的研究，从而推测前方可能遇到的地质情况，属于地质法里面的趋势前兆法。通过本文实践证明这一方法确有应用价值，若能长期跟踪统计调查再结合物探结果综合分析，可以较准确地推断出前方的异常地质体性质，尤其对岩溶隧道通过高风险区域能起到较好的施工指导作用。

2)目前的隧道超前地质预报主要是以地质法为基础，以物探和钻探为手段进行的。在实际的预报工作中切不可忽略现场地质的变化，若未注意到岩性、产状的改变则有可能导致预报的失败，故在预报工作中不能一味注重于对物探结果的分析，要将物探结果和地质情况综合分析，合理判释，才能做出较准确的预报。

3)在地质学上，通过对微观现象的归纳分析来判断宏观地质构造，是有理论基础的，也是构造地质学上常用的一种研究方法。具体到不同的地质环境中其研究方法手段各异，但总体思路是一致的，与哲学上的量变引起质变有相似之处。

4)本文旨在提出这样一种观点，即根据自然界中的一种常见的物体或者现象进行统计分析，观察其在不同环境下的变化特征，通过不同地区、不同构造环境下的对比来进行一系列归类统计。当然，不是所有地区其变化特征都相似，但见微知著，若能通过某种地质体显著的变化结合物探异常来进行地质预报，如通过某种现象的出现对断层或岩溶能起到指示或提示作用，则能大大提高地质预报的准确性;如方解石多充填于岩体的裂隙中，在隧道施工中常见这一矿物，若能对其加以深入研究通过在不同环境下呈现的不同特征结合物探资料来推断前方的异常地质现象，则预报的精确度要较纯粹通过物探分析高出许多。然而，目前关于这方面的研究主要停留在定性研究阶段，在岩土工程领域还没有将其进行定量分析研究用于地质预报的做法;学术界目前对方解石的应用研究总体用于探矿较多，用于岩土工程较少，还需要在以后的工作实践中不断完善丰富，形成一套适用于岩土工程的应用系统。

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