武汉地区志留系坟头组石灰岩工程特性研究

朱帆济，刘亚洲，邓青军

(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023)

0 引言

扬子区内志留系以浅海-滨海相碎屑岩和灰岩沉积为主，生物群丰富，下统下部为笔石页岩相，下统上部、中上统一般为介壳相[1]。武汉市位于扬子准地台北部、秦岭地槽东段南部，区内志留系地层主要为坟头组碎屑岩。志留系地层在武汉地区分布较广，呈近东西向带状分布于中部美娘山、洪山、喻家山、磨山、鼓架山、白浒山一线和南部大军山、八分山、龙泉山一线，形成残丘-低丘地貌，在地表出露较多坟头组地层，一般与泥盆系相伴产出，二者差异风化明显，志留系在第四系掩盖下常组成背斜核部地层。坟头组上部为黄绿、灰黄色泥质粉砂岩或粉砂质泥岩夹细砂岩，下部为黄绿、绿灰色等厚层细粒砂岩，局部为岩屑石英砂岩与粉砂质泥岩相间或呈互层，具有自下而上由粗变细的规律，大环境表现为海退序列的沉积[2]。

坟头组化石组合特征、构造作用、沉积相与古环境研究一直是学界关注的问题[3-9]，根据三叶虫组合面貌，林天瑞[3]认为南京地区坟头组时代应定为中志留系；陈旭等[10]认为西南秀山组、苏皖坟头组及鄂西纱帽组等均为下志留系；席与华[4]记述了苏皖地区坟头组腹足类11属12种，提出应将坟头组时代定为早志留系；综合分析薄片鉴定、黏土矿物差热对比及X射线衍射结果等，李德平等[9]总结了中志留系坟头组沉积相和古环境特征；底栖生物群落的变化反映出早志留系上扬子区经历了4次海平面升降[11]，海平面升降变化曲线可用于对比早志留系时代岩石地层单位；戎嘉余等[12]对志留系综合地层及时间框架进行了总结，并提出了今后研究突破方向。

武汉地区坟头组地层以泥质粉砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主，至今未见其他岩性报道。根据区域内铁箕山化石组合面貌，纵瑞文等[5]提出武汉地区坟头组地层所属地质时代应定为早志留系晚期。目前，对武汉地区志留系的研究较少，因此，根据工程勘察资料，通过室内岩芯观察描述及薄片鉴定结果，对武汉地区志留系坟头组石灰岩特性进行研究。

1 石灰岩特性

1.1 基本特性

进行武汉市地铁4号线孟家铺站工程地质勘察时，首次在志留系岩层中发现灰色石灰岩。石灰岩呈夹层状，局部未揭露。钻孔所见最大层厚12.50m，带宽10～60m。石灰岩位于锅顶山～王家店褶皱倒转背斜的核部，该背斜西起蔡甸北，向东经锅顶山南、武昌大东门、华中科技大学至王家店，长约55km，宽约24km，核部为志留系，两翼为泥盆系、三叠系岩层。

岩矿鉴定结果表明，该地区石灰岩包括亮晶胶结生物碎屑石灰岩、泥晶生物碎屑石灰岩等，岩石生物碎片分选性差，保存程度为中等～差，其中07-3号岩样为亮晶胶结生物碎屑石灰岩，主要成分为生物碎屑(含量约85%)及亮晶方解石(含量约15%)，生物碎屑主要为棘皮碎片(含量约55%)、珊瑚碎片(含量约10%)、包粒状海绵碎片(含量约10%)及其他碎片和包粒(含量约10%)；08-2号岩样为泥晶生物碎屑石灰岩，主要成分为生物碎屑(含量约61%)、陆源碎屑物沉积物(含量约36%)及粉晶方解石(含量约3%)，生物碎屑主要为珊瑚单体(含量约40%)、棘皮碎片(含量约15%)及腕足碎片和介形虫(含量约6%)，陆源碎屑物主要为泥质(含量约30%)、石英(含量约3%)及绢云母(含量约3%)；08-3号岩样为泥晶生物碎屑石灰岩，主要成分为生物碎屑(含量约55%)、陆源碎屑物沉积物(含量约40%)及粉晶方解石(含量约5%)，生物碎屑主要为珊瑚碎片(含量约50%)及棘皮碎片(含量约5%)，陆源碎屑物为泥质(含量约25%)、石英(含量约10%)及绢云母(含量约5%)。

石灰岩中包含珊瑚、棘皮及包粒状海绵等化石，为滨浅海相生物，且碎屑磨损严重，为准原地堆积，生物群丰富。胶结生物碎屑石灰岩中碎屑磨圆度较低，为水动力条件较强的滨浅海沉积环境。生屑-珊瑚泥灰岩中泥质含量明显偏高，沉积水动力较弱，多为低能浅滩堆积环境。石灰岩夹层层厚均较小，反映出了在陆棚大环境下的短时期滨浅海沉积，粉砂岩-石灰岩-粉砂岩沉积序列反映出了海退时期短暂的海侵作用。石灰岩抗压强度普遍较高，部分岩样抗压强度>60MPa，工程特性明显不同于同层位泥岩与粉砂岩。明确石灰岩分布情况与工程特性，对基坑开挖、桩基成孔、盾构机选型和刀盘配置均具有一定指导意义。

1.2 所属地质时代

武汉市轨道交通1号线径河延伸线工程地质勘探揭露了志留系坟头组笔石化石，钻孔所见最大层厚11.00m，化石位于汉口～新界复式背斜的核部，该背斜北起柏泉-北湖，南至吴家山-新店，东西长约50km，宽6～12km。东湖以西为汉口～东湖倒转背斜，背斜开阔，核部为志留系，两翼为泥盆系、二叠系岩层。

岩矿鉴定结果表明，本次勘探共发现以下类型笔石化石：①单笔石 由1个笔石枝组成，笔石枝直或微弯曲，笔石枝上仅有1列胞管，胞管口部向外弯曲，呈钩状。②耙笔石 由1个笔石枝组成，笔石枝纤细并明显弯曲，呈卷曲状。笔石枝上仅有1列胞管，着生在弯曲笔石枝外凸侧，胞管呈线形，长约3mm，胞管间距约1mm。各胞管彼此孤立，与笔石枝轴部近于垂直。③雕笔石 笔石体由2列胞管攀合而成，胞管呈直管状。

笔石化石丰富，其中单笔石最丰富，其次为耙笔石，最后为雕笔石。单笔石所属地质时代为早志留系至早泥盆系，耙笔石所属地质时代为早志留系，雕笔石所属地质时代为早奥陶系至早志留系。经综合分析，建议将武汉地区坟头组地层所属地质时代定为早志留系。

1.3 工程特性

对武汉地区志留系泥岩、石灰岩等工程特性进行总结，如表1所示。由表1可知，中风化石英细砂岩多为较软～较硬岩，饱和单轴抗压强度一般高于泥岩及粉砂岩，最大值为43.6MPa，磨蚀指数为0.75～0.93，平均值为0.83；中风化含岩屑石英砂岩为较硬～坚硬岩，饱和单轴抗压强度最大值为63.6MPa，磨蚀指数为3.05～4.36，平均值为3.52；中风化泥岩为软岩，饱和单轴抗压强度最大值为14.3MPa，磨蚀指数为0.36～0.54，平均值为0.45；中风化石灰岩为较硬～坚硬岩，饱和单轴抗压强度最大值为119.0MPa，磨蚀指数为0.84～1.42，平均值为1.09；中风化石灰岩磨蚀指数约为中风化泥岩的2倍，而饱和单轴抗压强度为中风化泥岩的5～8倍。需对志留系地层进行准确定名与层位划分，以为工程施工提供参考。

表1 岩石工程特性

2 工程应用

2.1 两湖隧道工程

两湖隧道工程北起秦园路和二环线东湖路，下穿东湖后在卓刀泉北路合并，南行依次下穿珞瑜路、雄楚大街和南湖，止于三环线，隧道主线全长19.25km。采用盾构法施工，隧道洞径15.5m，主线隧道段(K8+120.000—K8+880.000)下穿珞瑜路及卓刀泉南路，该标段场地沿线正交穿过龙阳湖～王家店倒转背斜。线路起点处为志留系泥岩，向南延伸至卓刀泉寺后渐变为泥盆系砂岩及石炭系石灰岩，沿线岩性种类较多。

根据隧道走向，结合石灰岩分布规律，初步判定志留系泥岩中靠近泥盆系砂岩连接处可能发育石灰岩地层，其产状较陡，层厚较小，岩性较硬。实际勘察过程中，在靠近卓刀泉立交北侧布置方格网状勘探孔(孔深50～60m)，以验证石灰岩分布规律。勘察结果显示，志留系中分布灰色～灰黑色石灰岩，钻孔所见最大层厚19.30m，石灰岩呈夹层状，局部未揭露。孔内电视测试结果表明，石灰岩产状为303°∠61.32°，如图1所示。

图1 孔内电视测试结果

岩矿鉴定结果表明，生物碎屑亮晶石灰岩中生物碎屑含量约50%，主要为三叶虫碎片，较小粒径为0.2～0.5mm，较大粒径为0.5～3.5mm，发育玻纤结构；其次为海百合碎片，粒径以0.5～1.0mm为主，较大粒径为1.0～3.0mm，发育单晶结构；再次为双壳碎片，粒径以0.1～0.3mm为主，发育多晶结构。生物碎片分选较差，保存程度为中等～差。

2.2 地铁8号线工程

武汉地铁8号线工程纵向穿过锅顶山～王家店倒转背斜核部，盾构主要穿越地层为志留系泥岩，局部为中风化石灰岩，掘进参数如表2所示。由表2可知，盾构机在中风化泥岩中的平均掘进速度约为60mm/min，而在中风化石灰岩中的平均掘进速度约为20mm/min，掘进速度差异较大。因此，设计单位与施工单位应充分考虑泥岩中石灰岩夹层对盾构机掘进速度的影响，应根据岩石产状、厚度、坚硬程度和裂隙发育情况，综合选择施工工艺，以提高施工效率，确保施工安全。

表2 掘进参数

3 结语

对武汉地区志留系坟头组石灰岩工程特性进行研究，得出以下结论。

1)坟头组发育灰色～灰黑色石灰岩夹层，石灰岩中未见溶沟、溶槽等，溶蚀现象不发育，含较多生物碎屑，如三叶虫、海百合、双壳类、珊瑚及棘皮等，属较硬～坚硬岩。

2)在坟头组泥岩中首次发现笔石化石分布，石灰岩的揭露丰富了武汉地区志留系坟头组基岩种类与层序关系，对地质填图具有一定借鉴作用，为地层组合与沉积环境对比提供了新依据，也为邻近地区基岩研究提供参考。根据笔石种类与形态特征，建议将坟头组所属地质时代划分为早志留系。

3)对坟头组石灰岩及伴生的石英细砂岩和含岩屑石英砂岩工程特性进行总结，可用于指导施工。需对志留系地层进行准确定名与层位划分，对于基坑开挖、桩基成孔、盾构机选型、刀盘配置和掘进等具有一定指导意义。