穿越花岗岩蚀变带隧道的工程地质特征及突涌机理分析

穿越花岗岩蚀变带隧道的工程地质特征及突涌机理分析
蔡俊华
【摘要】埋深175 m的灯火寨隧道发生多次大规模的突泥、涌水事故.区域地质
调查发现灯火寨隧道的突涌灾害发生在晶洞花岗岩与凝灰岩的接触带,在接触带附
近两者均发生大规模蚀变.岩相学的试验揭示逐渐靠近接触带晶洞花岗岩依次发育
钠长石化、绢云母化和高岭土化蚀变;凝灰岩依次发育硅化和蒙脱石化蚀变.孔隙度、饱和含水量和单轴抗压强度等试验揭示蚀变导致岩体的物理力学性能显著劣化(硅
化凝灰岩除外).尤其是接触带中心发育的带状高岭土化粘土和蒙脱石化粘土.水理试验揭示蚀变粘土的呈现高膨胀性、易崩解、易泥化等不良工程性质.正是由于深埋、带状蚀变粘土的存在,隧道的开挖扰动、应力重分布和地下水排泄等耦合作用才触
发多次大规模泥石流状的突涌和通达地表的坍陷.%Several large-scale mud and water inrush events occurred during excavation of the Denghuazhai Tunnel at a depth of 175 m.It was revealed The inrush hazards occurred in the contact zone between geodetic granite and tuff by regional geological rge-scale alteration occurred both in geodetic granite and tuff near the contact zone.Petrographic and mineralogical tests indicated that albitized,sericitized and kaolinized alteration occurred in geodetic granite,and siliconized and montmorillonitized alteration were developed
in tuff gradually towards the contact zone.Tests on porosity,saturated water content and uniaxial compressive strength indicated that alteration led to significant deterioration of physical and mechanical properties of rock masses (except for siliconized tuff).Especially,for the zonal kaolinized and montmorillonitized clay in the central area of contact zone,the
physical and mechanical properties were poor and obvious
swelling,disintegration and argillaton were observed.Hdrophysical tests indicated that the altered clay exhibited remarkably proneness to swelling,disintegration and argillation.Due to the existence of deeply-buried zonal altered clay,a few large-scale inrush events similar to debris flow and surface collapses were triggered by the coupled effects of excavation disturbance,stress redistribution and groundwater drainage.【期刊名称】《公路工程》
【年(卷),期】2018(043)002
【总页数】8页(P246-252,256)
【关键词】隧道;花岗岩接触带;突涌;机理
【作者】蔡俊华
【作者单位】中国地质大学(武汉),湖北武汉430074;三明市交通建设投资有限公司,福建三明365000
【正文语种】中文
【中图分类】U45
1 概述
花岗岩、凝灰岩等火成岩是坚硬、稳定的工程岩体，通常被认为是修筑地下工程的理想场地。

修建于火成岩中的地下工程遭遇的坍塌、突水等工程地质问题通常发生在构造带[1]、破碎带[2]、富水带[3]和强风化带[4]，而在花岗岩蚀变带中发生的
大规模突涌灾害却鲜有报道。

蚀变作用常伴生大量金属矿产，长期以来，矿床地质学对成矿作用相关的蚀变进行大量研究[5]，而对蚀变导致的粘土化及蚀变岩的强度弱化现象研究常被忽略[6，7]。

但同蚀变相关的工程地质问题却普遍存在，如著名的马尔帕塞坝的溃坝事件，洪都拉斯的埃尔卡洪坝渗漏事件，英国的马丁瓷土露天矿坑的边坡稳定性问题，黑麋峰抽水蓄能电站的蒙脱石化蚀变，大岗山水电站的辉绿岩脉的粘土化蚀变等[8]。

尽管大量工程遭遇粘土化蚀变的威胁，但从工程地质的角度对其形成机理、发育规律的研究依然很少[9，10]。

因此，本文结合灯火寨隧道的突涌案例，阐述花岗岩隧道突涌灾害突涌的机理。

其相关的研究成果可对今后类似工程提供参考和借鉴。

2 灯火寨隧道突涌灾害
灯火寨隧道位于福建省漳州市境内，其地理位置如图1所示。

灯火寨隧道是厦漳
高速公路上的分离式双洞六车道隧道，左右分别长3 372 m、3 390 m，最大开挖断面170 m2。

图1 灯火寨隧道的地理位置及简化的区域地质图Figure 1 Geographic position and simplified geological map of denghuozhai tunnel
灯火寨隧道在穿越埋深175 m的花岗岩接触带先后发生3次突涌事故。

第一次发生在2012年5月7日，当右洞掌子面YK22+136后在初喷砼作业时，上断面左
侧拱腰突然出现发生垮塌，泥水混合物呈流砂状快速涌出。

本阶段涌水量约1 500 m3，堆积的突涌物约450 m3。

突涌堆积物泥约占总体积35%～45%；砂约占总体积55%～65%，粒径介于0.3～1.0 cm。

突涌结束后地下水流量基本维持在
250 m3/h，并逐渐变清澈。

残积物形态见图2(a)。

第二次突泥涌砂发生在8日上午9时，突涌物在左侧拱腰部位呈泥石流状瞬间涌出，约1 800 m3，堆积物将整个上台阶掩没，并将停放其上的开挖台架(重约3.5
t)推出15 m。

本次堆积体的物质成份与第一次相似，同样以泥砂为主。

残积物形态如图2(b-c)所示。

第三次发生在13日晚11时，掌子面前方突然发出剧烈的坍塌声，紧接着有大量泥水混合物快速涌出。

约20 min后，突涌堆积物将掌子面后方约100 m的隧道完全堵塞，约60 m隧道被半断面填充，其巨大的推力将支护台架向洞口推移约100 m，并将二衬台车推移轨道。

本次突涌堆积物达24 000 m3，涌水约35 000 m3。

本次堆积体的物质组成与前两次相似，同样以泥砂为主，但碎石、砾石含量明显增多，偶见直径达1～1.5 m的岩块。

残积物形态如图2(d-e)所示。

本次突涌造成隧道地表塌陷，塌坑近似圆形，直径约26 m，深约15 m。

测量定位发现塌坑位于突涌溃口的正上方，其地表塌坑如图2(f)所示。

图2 三次突涌的照片Figure 2 Pictures of three inrushes
3 地质条件
3.1 区域地质背景
隧址区域出露的地层主要为上侏罗统南园组和下侏罗统梨山组。

南园组地层厚度巨大，以酸性-中酸性灰色流纹质凝灰岩和火山碎屑岩为主。

梨山组以灰白色中粒石英砂岩、细砂岩为主，局部夹粉砂岩和泥岩。

见图1。

隧址区域内侵入岩从早到晚分别为：花岗闪长岩、石英闪长岩、晶洞花岗岩、正长花岗岩、花岗斑岩。

区域构造带主要分属长乐-诏安断裂带、九龙江断裂带、上杭-云霄断裂带。

3.2 灯火寨隧道的工程地质特征
隧址区地貌属构造剥蚀中低山区，地形起伏较大，覆盖层较厚。

地层岩性较复杂，进口段出露晚侏罗世的灰色凝灰岩，局部夹凝灰质粉砂岩和凝灰质细砂岩。

凝灰岩呈巨厚状，凝灰结构，表面疏松、多孔、有粗糙感；凝灰质粉砂岩和细砂岩的厚度不均，介于0.1～2.2 m之间。

出口段出露早白垩世侵入的晶洞花岗岩。

后期侵入的晶洞花岗岩在桩号YK22+141处与凝灰岩呈侵入接触。

因花岗岩的侵入，凝灰岩受高温、高压及热液交代等影响，接触带附近岩体呈明显的蚀变特征，主要表现为钠长石化、绢云母化、泥化、硅化等。

强烈蚀变作用形成宽度198 m、深度大于400 m的陡倾蚀变带，其中，蚀变带中的软弱蚀变岩的宽度约60 m。

受控制本区域呈北东向长乐-诏安断裂带和九龙江断裂带的双重影响，发育5条与隧道轴线大角度相交的断层、节理裂隙带。

断层、节理裂隙带的宽度、延伸长度均较小，带内岩体主要为碎块状、强-微风化花岗岩或凝灰岩。

其中，F2断层沿着接触蚀变带发育。

同时，隧址区的新构造运动微弱，区域地质稳定性较好。

4 工程地质特征
根据开挖揭示，灯火寨隧道的推测地质纵断面图及蚀变带附近开挖揭露的岩体如图3所示。

图3 灯火寨隧道地质纵断面图(部分)Figure 3 Geological profile of denghuozai tunnel (partial)
如图3所示，外接触带依次发育凝灰岩(围岩)、硅化凝灰岩、粘土；内接触带依次发育粘土、绢云母化花岗岩、钠长石化花岗岩、晶洞花岗岩(岩体)。

4.1 晶洞花岗岩
灯火寨隧道的晶洞花岗岩(岩体)以陡倾产状与凝灰岩(围岩)呈侵入接触。

晶洞花岗岩为浅粉色，中粒花岗结构，晶洞-块状构造，节理、裂隙较发育-发育，岩体完整性较差，但岩体强度较高。

4.2 钠长石化花岗岩
如图3所示的内接触带，钠长石化花岗岩紧邻晶洞花岗岩发育，其宽121 m。

如图4(a)所示，钠长石化花岗岩的岩体呈块状构造，但随着蚀变程度的加深，岩体由浅红色逐渐过渡到浅灰色，由中粒花岗结构过渡到变晶结构。

同时，随着蚀变程度的加强，岩体的节理、裂隙逐渐增多，呈发育状；岩体完整性逐渐变差；岩体强度逐渐降低。

岩石由新生钠长石以及残留斜长石、钾长石、石英、黑云母等矿物组成。

与晶洞花岗岩相比，此岩体中的矿物成份大量发育糖粒状钠长石，基于岩相特征分析此岩体中新生的钠长石由钾长石和斜长石矿物蚀变而来图4(b)。

同时，因其受后期蚀变的叠加，部分蚀变为粘土矿物。

由于钠长石化交代作用，使整个岩石中的造岩矿物粒径比晶洞花岗岩平均减小0.5～1.0 mm左右。

图4 典型蚀变岩体宏观及微观照片Figure 4 Photomicrographs and photos of typical altered rock
4.3 绢云母钠长石化花岗岩
如图3所示，内接触带上的绢云母钠长石化花岗岩宽度约32 m，介于钠长石化花岗岩和粘土之间。

岩体呈半固结半松散状，花岗结构较清晰，结构面很发育，岩体普遍强烈蚀变、完整性差、强度低，其宏观形态见图4(c)。

绢云母化蚀变是叠加在前期钠长石化蚀变的基础上，残余的钾长石、斜长石和前期蚀变生成的钠长石等矿物结构特征与钠长石化花岗岩相似，但矿物组分和粒径明显减少。

新生的绢云母、粘土等矿物主要是交代原岩中的长石类矿物(钾长石、钠长石和斜
长石)而来，其中绢云母含量为8～12%，粘土矿物含量为20～25%，其微观形态如图4(d)所示。

4.4 粘土
如图3所示，粘土宽度约23 m，介于绢云母钠长石化花岗岩和硅化凝灰岩之间。

其中，内接触带为高岭土化粘土，外接触带为蒙脱石化粘土。

灰白色的粘土呈碎屑状，并夹碎石；松散、破碎并富水。

隧道开挖后，岩石碎块易崩解脱落；松散的土易软化成泥，其宏观形态如图4(e)所示。

其中，土中的岩石碎块约占总体积的40%，以碎裂状、棱块状镶嵌于粘土中，其粒径介于5～25 cm。

岩石碎块的表面被强蚀变呈泥状、砂土状；内部相对较完整，呈砾石状；但受蚀变的粘土矿物影响、颗粒间胶结较差，强度较低，手捏即碎并具滑腻感。

在内接触带，碎屑岩块内的钾长石和石英残体较多，显微镜下多被粘土矿物蚀变呈港湾状,见图4(f)；斜长石(钠长石)大部分蚀变为白净的粘土，但长石假象仍可辨识。

粒径小于1 cm的泥、砂、砾石等碎屑物约占总体积的50%。

此碎屑物十分松散、软弱，具软塑性、膨胀性和崩解性；隧道开挖后，遇水很快软化、膨胀、崩解成泥。

此碎屑物由石英、粘土、绢云母、岩石碎屑等组成。

其中，石英颗粒多呈细粒、松散砂糖状(原岩中石英粒度为0.5～8.0 mm，泥化物中为0.2～0.5 mm)，含量约10% (原岩中25% )。

图5(a)所示的的衍射谱图中强衍射峰对应高岭石；较强衍射峰对应伊利石；0.425，0.333 nm处出现衍射峰，表明含有石英；0.324和0.319 nm处的衍射峰分别指
示了钠长石和斜长石的存在。

因此，内接触粘土的矿物主要为高岭石、伊利石和石英等；图5(b)的衍射谱图中，强衍射峰对应蒙脱石；其次为绿泥石，而绢云母的
衍射峰都较微弱。

外接触带粘土的矿物主要是蒙脱石、绿泥石，还有少量的绢云母。

(a)高岭土化粘土
(b)蒙脱石化粘土图5 粘土的XRD图谱Figure 5 The results of X-ray diffraction
of clay minerals
4.5 硅化凝灰岩及凝灰岩
如图3所示，硅化凝灰岩发育在外接触带，介于蒙脱石化粘土与凝灰岩之间，宽
度约22 m。

岩体呈灰白色，变余结构，块状构造，节理、裂隙较发育；强烈的硅化蚀变导致岩体完整性、强度较未蚀变的凝灰岩都高。

凝灰岩，呈灰白色、灰绿色，熔结凝灰结构，块状构造。

凝灰岩内裂隙发育，岩体的完整性较差，强度较差，地下水发育。

5 矿物特征
各蚀变岩的矿物成分分析通过X射线衍射(XRD)方法测试。

表1和表2分别给出
内接触带和外接触带各蚀变岩的主要矿物成分及含量。

表1 内接触带岩体的主要矿物成分Table1 Themineralcompositionsofrocksforinnercontactzone%岩体岩样编号造岩矿物PlaPotQtzHblBioPyrPrm次生矿物AlbSerChl粘土矿物IIIMonKaoTotalSem晶洞花岗岩
GG118.832.132.42.58.73.698.100000000GG219.330.829.83.19.73.195.82.200 00002.2GG320.729.326.42.99.64.393.25.10000005.1钠长石化花岗岩
AG115.222.825.52.86.73.976.922.500000022.5AG214.218.521.837.83.268.52 6.13.11.1000030.3AG312.816.620.13.25.13.861.629.65.22.5000037.3绢云母
钠长石化花岗岩
SG111.516.718.82.43.83.156.318.411.53.23.505.79.242.3SG210.714.416.31.8
3.1
4.150.41
5.312.83.85.6010.61
6.248.1SG39.410.214.71.31.73.540.811.81
7.4
4.17.801
5.823.65
6.9高岭土化粘土
KC18.49.714.31.20.52.636.79.711.22.112.8023.536.359.3KC27.97.613.6103.2 33.37.37.61.517.8029.747.563.9KC37.55.914.51.502.932.35.12.71.118.2038.2
56.465.3Kao:高岭土;Mon:蒙脱石;Ill:伊利石;Qtz:石英;Pla:斜长石;Chl:绿泥石;Ser:绢云母;Pot:钾长石;Hbl:角闪石;Bio:黑云母;Pyr:辉石;Alb:钠长石;Prm:造岩矿
物;Sem:次生矿物。

表2 外接触带岩体的主要矿物成分Table2 Themineralcompositionsofrocksforoutercontactzone%岩样岩样编号矿物PlaPotQtzChlCalMamSemPrmMonaMC19.52.111.314.604.653.534.960.7蒙脱石化粘土
MC210.61.712.911.508.349.737.257.5MC314.91.316.77.207.946.144.949.2ST 127.62.945.53.61.42.113.288.66.9硅化凝灰岩
ST230.73.543.82.81.73.411.191.75.3ST330.4344.62.91.64.69.891.65.3TF135.9 5.438.81.25.44.27.498.3凝灰岩
TF236.84.939.11.45.82.18.898.9TF337.65.838.51.56.12.56.998.9a以凝灰岩的造岩矿物为基础,硅化凝灰岩中以石英、绿泥石、蒙脱石的增量表示次生矿物;蒙脱石化粘土中以蒙脱石、绿泥石的增量表示次生矿物。

Mon:蒙脱石;Qtz:石英;Pla:斜长石;Chl:绿泥石;Pot:钾长石;Cal:方解石;Mam:铁镁质矿物;Sem:次生矿物。

表1、表2所示的矿物成分分析结果与微观观测结果基本一致。

越靠近接触带，岩体中的造岩矿物越少，蚀变矿物越多，而且此改变是渐进的。

由此可见，逐渐靠近接触带岩体的蚀变作用逐渐增强，更多的造岩矿物被蚀变为次生矿物。

如图6所示，从钠长石化花岗岩到高岭土化粘土，钠长石化蚀变普遍存在的。

其中，在钠长石化花岗岩中，钠长石的含量最多，平均达26.1%。

根据其岩相及矿物特征分析，钠长石化蚀变通过以下两种方式完成：①石英被分解溶蚀，生成砂糖状的钠长石和孔洞；②钾长石和斜长石斑晶被钠长石交代见图4(b)。

在绢云母钠长石化花岗岩和高岭土化粘土中，钠长石的含量逐渐减少，甚至消失。

但根据岩浆与凝灰岩的侵入接触关系及蚀变过程的推测，逐渐靠近接触带钠长石化蚀变应该更
强(图7)，岩浆期应该生成更多的钠长石。

钠长石减少的原因是次生的钠长石在岩浆期后被热液流体进一步蚀变为绢云母和粘土。

图6 内接触带主要蚀变矿物的含量Figure 6 The main altering minerals content in inner contact zone
如图8所示，从绢云母钠长石化花岗岩到高岭土化粘土，绢云母化蚀变普遍存在的。

在绢云母钠长石化花岗岩中绢云母的含量最多，平均达15.2%。

根据其岩相及矿物特征分析，绢云母化蚀变通过以下两种方式完成：①造岩矿物中的钾长石、斜长石和次生钠长石被蚀变为绢云母、粘土矿物。

绢云母和粘土矿物呈细粒集合体包裹或港湾状侵蚀长石斑晶，并沿其边缘构成镶边结构见图4(d)。

②黑云母和角闪石被蚀变为绿泥石和粘土矿物等，次生的绿泥石进一步蚀变为绢云母。

图8给出绢云母化蚀变程度的推测，与钠长石化蚀变规律相同，越靠近接触带其蚀变作用越强。

接触带作为岩浆侵入的接触部位，往往伴生层间滑脱带和引张裂隙带，是岩浆期后热液流体的主要运移通道。

因此，热液流体的长期聚集、渗透、运移导致接触带附近的绢云母、绿泥石、甚至长石进一步蚀变为粘土矿物。

注：线的宽度标示蚀变程度，越宽蚀变越强，越细蚀变越弱图7 岩体的蚀变演化Figure 7 The alteration evolution of rocks
6 水理特征
本文主要开展岩土体吸水率和侧向约束膨胀试验。

试验结果如图8所示。

图8 典型蚀变岩轴向膨胀率与时间的关系曲线图Figure 8 Relationship between axial expansion ratio and time
如图8所示，从晶洞花岗岩到蒙脱石化粘土，随蚀变程度的加深，吸水率(天然和饱和)均增大。

尤其是从绢云母钠长石化花岗岩到高岭土化粘土，天然试样吸水后发生崩解并泥化呈流塑状的泥。

但从凝灰岩到硅化凝灰岩，随蚀变程度的加深，其
吸水率逐渐减少。

图8所示的膨胀特性试验表明，绢云母钠长石化花岗岩、高岭土化粘土和蒙脱石
化粘土不但呈现很强的膨胀性，而且其侧向约束膨胀率逐渐增大，其值分别为124%, 132% 和144%。

同时，膨胀性能的差异不但表现在累计膨胀率上，还表
现在轴向膨胀率随时间的变化上，具体如图8所示。

由图9可知，3个试样的轴向膨胀率随时间的变化趋势一致，初期快速增大，而后，变化逐渐减小并趋于稳定。

但初期膨胀率的增速不同，蒙脱石化粘土的增速最快，曲线最陡；其次为高岭土化粘土；绢云母钠长石化花岗岩的最小，曲线最缓。

试验后期，2个粘土试样的曲线快速由陡变缓，22 h后，其膨胀率的增大趋势逐渐减小，并趋于稳定；但绢云母钠长石化花岗岩的膨胀率增大趋势较缓慢，38 h后，
其膨胀率的增大趋势才逐渐减小。

取围岩内绢云母钠长石化花岗岩快速烘干，然后，悬浮于去离子水中，立刻可见岩块强烈吸水并有气泡析出，同时，有颗粒状碎屑剥落，粉末状的泥扩散到水中。

大部分试验岩样在32 h后均层层剥落为碎石土；同时，部分崩落的较大岩块继续崩解为更小颗粒的砾石、砂和泥。

因此，绢云母钠长石化花岗岩不但具有膨胀性，还表现出强烈的崩解、泥化特征。

7 突涌机理分析
a.粘土带形成机理及工程地质特征。

通过灯火寨隧道岩体工程地质特征的分析，此区域发生如此大规模的粘土化蚀变，其地质构造及岩浆演化方面的原因如下：①后期侵入的晶洞花岗岩岩浆与凝灰岩呈侵入接触，接触带附近两者之间发生强烈的交代蚀变，导致外接触带的凝灰岩发生强烈的硅化蚀变；内接触带未完全固结的花岗岩发生钠长石化蚀变。

②吴克隆[11]研究发现，此区域的古地温梯度高达到150 ℃/km，导致岩浆期后热液温度高、
降温缓慢。

同时，此区域岩浆的冷凝、结晶时间长达40 Ma。

而且岩浆期后，残
余岩浆热液与大气降水充分混合，形成高达400℃热液流体。

③根据沈渭洲[12]的研究热液在温度差和压力差的共同驱动下沿着软弱带(接触带和贯通性裂隙)渗流、迁移，伴随着热液从400℃到35℃的长期降温、结晶和交代蚀变，热液演化导致
迁移通道附近的长石类、铁镁质等矿物发生绢云母化和粘土化蚀变，形成大量、带状、深埋的高岭土、蒙脱石、绢云母等软岩矿物。

同时，新生成的高岭土、伊利石、绢云母等矿物在岩石中聚结成条带或团块，影响岩石的力学强度，并导致岩体呈膨胀、崩解、泥化；
b.突涌机理。

灯火寨隧道突涌的触发因素如下：隧道采用台阶法施工，爆破开挖，其中，上台阶的开挖进尺为1.2 m，掌子面开挖面积近120 m2。

同时，围岩中富含地下水，水压高、渗水量大。

隧道开挖接近或揭露蚀变粘土带后，形成地下临空通道，不但导致蚀变带内原有的物质和力学平衡被瞬间打破；而且为高压地下水的渗透和极易膨胀、崩解、泥化的粘土提供了运移的通道。

一方面，开挖轮廓线附近原有的水头消失，短时间内突增巨大渗透压力，高压地下水沿着薄弱部位向隧道内排泄，形成动水，并不断掏蚀和搬运蚀变带内松散的泥、砂，这就是起初涌出的浑浊地下水，其过程如图9所示。

另一方面，隧道开挖导致围岩扰动和应力调整，尤其是开挖轮
廓线附近的岩土体由原来的挤压状态逐渐调整为受拉，当拉应力大于其抗拉强度后，在高压地下水作用下，蚀变带内的粘土逐渐泥化、崩解，涌水逐渐演化发展为突泥涌砂。

同时，突泥、涌砂使蚀变带内逐渐形成溶蚀空洞，其过程如图9所示。

随
着地下水的掏蚀、搬运和蚀变粘土的泥化、崩解、流失，溶蚀的空洞逐渐扩大，并向蚀变带的上方及侧向发展。

渐渐的距离开挖轮廓线更远处岩土体的物质和力学平衡被打破，在地下水渗透压力和自身重力的作用下，逐渐坍塌并冲破阻挡以泥石流的状态涌入隧道，形成一次大规模的突涌事故。

随着上
图9 突涌机理分析Figure 9 Analysis of inrush mechanism
述过程的进一步演化，突泥涌水间歇性的发生，蚀变带内岩土体的坍塌范围逐渐向上发展，最后通达地表，形成地表塌陷，其过程如图9所示。

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