五台山地区太古界韧性剪切带地层特征研究

张光明

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

韧性剪切带又称韧性断层，是一种呈带状展布发育在地壳一定深度下的高应变带，也是地表脆性断层向地壳深部的延伸部分[1]。这种由岩石塑性流动而成，似断非断的特殊构造，除了具有重要的探矿意义外[2-4]，对隧道工程的建设影响较大。如雁门关公路隧道在右线中导洞施工至ZK110+918时，发生糜棱岩碎屑流，片麻岩突变为松散的碎屑从洞顶流出[5]，并在左线施工时发生糜棱岩塌方[6]；某铁路隧道施工中，遇到韧性剪切带夹泥化夹层，造成掌子面涌水涌泥，危及施工安全[7]；广昆铁路秀宁隧道在富水糜棱岩段落掌子面及侧面岩体开挖后，频繁出现掉块和溜坍等失稳现象[8]。近些年，工程地质领域逐渐开始重视韧性剪切带工程地质条件及对工程的影响，王建鹏研究了阳安二线蒋家山隧道穿越的6条元古界片岩为主的韧性剪切带的工程地质特征[9]；常帅鹏对新建格库铁路七面峰4号隧道穿越元古界蓟县系石英片岩为主的韧性剪切带进行综合勘察分析及围岩划分[10]。邓争荣等研究中上元古界念青唐古拉岩群变质岩韧性剪切构造特征及其岩体工程性状[11]。

不难看出，不同地区的韧性剪切构造，因其地层岩性、形成时代、机理，以及所处的区域地质环境不同，其工程地质特征差异较大。五台山地区发育有较为典型的太古界变质岩韧性剪切带，长约50 km，宽2～14 km，主要分布在河北省龙泉关—红土坡—两界峰以西，山西省铁堡—门限石—屋腔以东，见图1。从公开发表的文献来看[12-16]，对该地区韧性剪切带的研究主要集中在其形成的时代、机理，岩石化学成分等方面，而对其工程地质条件的研究相对较少。随着区内铁路工程项目的规划建设，铁路隧道将不可避免地穿越该区韧性剪切带。通过现场调查、室内试验及现场原位测试等多种手段，对区内韧性剪切带的工程地质条件进行了较为全面的研究，并对铁路隧道穿越时的围岩等级进行了划分，以期积累区内韧性剪切带工程地质数据，为今后穿越该地区的隧道工程建设提供参考。

图1 区域构造纲要

1 韧性剪切带地层特征

五台山太古界韧性剪切带是在区域褶皱-推覆作用下发展起来的，由五台旋回、吕梁旋回复合而成，不同旋回变质建造在空间上依次分布，晚期的建造以逆冲方式叠置在早期旋回建造之上，在逆冲过程中形成韧性剪切带。分为五台期韧性剪切带和吕梁期韧性剪切带[17]。经现场调查量测，剪切带内地层倾向为230°～255°(SWW)，倾角一般为20°～30°，属缓倾地层。

1.1 剪切变形强度分带

按照剪切变形强度，区内韧性剪切带可分为强变形带和弱变形域。强变形带由变晶糜棱岩和各种眼球状糜棱片麻岩组成(见图2)，弱变形域由各种变粒岩、变斑状片麻岩等组成；强变形带在空间上呈网状，弱变形域分布其中。自弱变形域到强变形带，岩石中矿物粒度逐渐减小，黑云母含量增加，同时出现微斜长石交斜长石的现象。在强变形带中，新生糜棱面理斜截先期片麻理，并呈逆冲式压叠关系，长英脉体发生不均匀褶曲或移位，剪切带中石英脉发育，多顺片理分布。

图2 韧性剪切带内岩芯

1.2 岩石及矿物组成

通过调查及室内岩矿鉴定，弱变形域内岩石主要为斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩和眼球状黑云(角闪)斜长片麻岩；强变形带典型岩石为眼球状黑云斜长糜棱片麻岩、眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩、黑云糜棱片岩、黑云斜长糜棱片麻岩等，部分典型岩石的显微构造见图3～图6。

图3 斜长角闪岩显微构造图4 黑云斜长片麻岩显微构造图5 眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩显微构造图6 黑云斜长糜棱片麻岩显微构造

岩石受韧性变形作用，沿片理方向可见碎裂现象，沿裂纹斜长石具破碎、双晶弯曲、波状消光等受力现象，黑云母具扭折、波状消光等受力现象。

室内磨片试验结果见表1和表2，从矿物组成来看，强变形带和弱变形域内岩石矿物成分主要为黑云母、角闪石、斜长石、钾长石及石英。弱变形域岩石中钾长石、斜长石、石英含量占比相对较高，黑云母含量一般为10%～20%，随变形程度的增大，强变形带岩石中钾长石含量显著下降，角闪石逐渐退变为黑云母，黑云母含量明显增加，一般为20%～30%，其中黑云糜棱片岩的黑云母含量高达65%～70%。

表1 弱变形域典型岩石的矿物组成

表2 强变形带典型岩石的矿物组成

1.3 岩石的膨胀特征

取韧性剪切带强变形带岩样，经破碎研磨，比照膨胀土的试验方法进行膨胀性试验，试验结果见表3。按相关规范[18]，判定韧性剪切带内岩石为非膨胀性岩土。

表3 岩石膨胀性测试结果

1.4 韧性剪切带内地温特征

在4个深钻孔内进行井温测试，测试结果见图7。根据井温数据，地表以下10～530 m范围内地温为8～15.6 ℃，平均地温梯度为1.7～2.1 ℃/100 m，表明韧性剪切带内地温随深度变化曲线符合正常的地温变化规律。

图7 井温测试结果

2 隧道围岩级别划分

2.1 韧性剪切带岩石强度特征

分别对弱变形域和强变形带典型岩石进行单轴抗压强度测试，并获取软化系数，测试结果见表4。由表4可知，弱变形域内各岩石单轴饱和抗压强度平均值介于51.1～115.7 MPa，按照岩石坚硬程度划分属于硬质岩-极硬岩；软化系数为0.79～0.84，属于不易软化类岩石。

表4 岩石强度及软化系数测试结果

强变形带内各岩石单轴饱和抗压强度平均值介于24.0～40.5 MPa，属较软岩-硬岩；软化系数为0.63～0.74，属于易软化类岩石。

此外，取斜长角闪岩进行抗拉强度测试，抗拉强度测试结果为3.81～6.02 MPa，平均抗拉强度为4.81 MPa，抗拉强度与抗压强度比值为0.042。韧性剪切带内的片麻岩片理发育，其抗拉强度较斜长角闪岩小。

2.2 韧性剪切带岩体完整性测试

岩体的完整性指数是评价岩体完整程度的标志，有

(1)

式中，KV为岩体完整性指数；Vpm为岩体弹性纵波速度；Vpr为岩石弹性纵波速度，一般取现场新鲜岩石的纵波速度。

使用PSJ-2型数字测井仪在4个深孔内进行物探综合测井测试，以研究韧性剪切带岩体的完整性，4个钻孔孔深分别为530 m(ZK1)、448 m(ZK2)、285 m(ZK3)、246 m(ZK4)，各钻孔深部岩体的声波速度见表5。工程中，采用PSJ-2型数字测井仪在钻孔内测得的为岩体声波速度，根据相关文献[19-20]，岩体的声波速度比地震波速度高约15%，故认为对KV值的影响较小，实际工程中采用声波速度比值。

表5 不同钻孔内岩体实测声波速度

经实测，深部岩体完整性指数KV主要集中分布在0.5～0.75，见图8。按相关规范[21]，岩体完整程度分级以较破碎-较完整为主，其中较破碎段落(KV=0.4～0.55)和完整段落(KV>0.75)仅局部分布在埋深小于300 m的范围内。可见该地区韧性剪切带内岩体的完整性相对较好，与其他文献中揭示的韧性剪切带岩体完整性有较大区别。

图8 不同钻孔岩体完整性指数KV随深度变化曲线

2.3 韧性剪切带的地应力特征

采用水压致裂原地应力测量方法在530 m深的钻孔内进行地应力测试，地应力测试结果见表6。

表6 地应力测量结果

由表6可知，测量深度范围内(36.65～507.1 m)，最大水平主应力值在2.93～10.54 MPa之间，最小水平主应力值在2.66～9.26 MPa之间。总体来看，36.65～285.0 m深度范围内，应力大小以水平应力为主，主应力的关系为SV

在359.9 m和503.1 m两个深度段进行水平主应力方向印模测量，破裂方位分别为N68°E和N72°E，可见测孔附近最大水平主应力的优势作用方向为北北东。说明该区域受北东向构造运动影响，表现出北东-南西向挤压应力，本次测试结果与前人统计五台山地区整体区域应力基本一致[22]。

2.4 围岩基本质量指标及围岩分级

分别取表4和图8中弱变形域和强变形带典型岩石的单轴饱和抗压强度Rc和完整性指数KV的平均值，计算围岩基本质量指标BQ，并考虑地下水、主要结构面及初始地应力的影响，经修正得到围岩基本质量指标修正值[BQ][23]。钻探显示，韧性剪切带附近地下水发育，个别钻孔承压水甚至涌出孔口，故地下水影响系数K1按“淋雨状或线流状”取大值；剪切带地层倾角一般为20°～30°，按照铁路隧道选线原则，隧道走向与软弱结构面走向大致呈正交，主要软弱结构面产状修正系数K2应为0.2～0.4，取平均值K2=0.3；根据地应力测试结果及岩石饱和抗压强度试验结果，初始地应力影响修正系数K3按高地应力区考虑，并取K3=0.5。根据以上取值，隧道围岩BQ值及[BQ]值计算结果见表7。

表7 围岩基本质量指标及修正结果

计算结果显示，韧性剪切带弱变形域[BQ]值为286～358，强变形带[BQ]值为172～202，根据铁路隧道围岩分级标准，韧性剪切带弱变形域围岩以Ⅳ级为主，强变形带隧道围岩为Ⅴ级。

3 结论

(1)剪切带内地层缓倾，由强变形带和弱变形域组成，强变形带内典型岩石为眼球状黑云斜长糜棱片麻岩、眼球状黑云角闪斜长糜棱片麻岩、黑云糜棱片岩、黑云斜长糜棱片麻岩等；弱变形域内岩石主要为斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩和眼球状黑云(角闪)斜长片麻岩等；岩石的矿物成分主要为黑云母、角闪石、斜长石、钾长石及石英，且随着剪切变形强度的增加，黑云母含量明显增多，钾长石含量显著下降。

(2)按照岩石坚硬程度划分，弱变形域岩石属于硬质岩-极硬岩且不易软化；强变形带岩石为较软岩-硬岩，易软化。

(3)韧性剪切带内岩石膨胀性较小，深部岩体完整性指数主要集中在0.5～0.75，岩体完整程度分级以较破碎-较完整为主。

(4)工程建设范围内，韧性剪切带的平均地温梯度为1.7～2.1 ℃/100 m，符合正常的地温变化规律；测量深度范围内最大水平主应力值在2.93～10.54 MPa之间，最小水平主应力值在2.66～9.26 MPa之间，平均最大水平主应力方向为N70°E，表现出北东-南西向挤压应力。

(5)弱变形域铁路隧道围岩以Ⅳ级为主，强变形带隧道围岩为Ⅴ级。