蚀变岩工程分级与物理力学性质研究*

董金玉 石 尚 李建勇 任明浩 高玉生 吴 彤 滕 杰 闫晓石

(①华北水利水电大学地球科学与工程学院， 郑州 450046， 中国)

(②中水北方勘测设计研究有限责任公司， 天津 300222， 中国)

0 引 言

在水利水电工程建设中，岩体蚀变现象作为一种特殊的工程地质问题日益突出。在地下厂房工程中，蚀变岩严重影响洞室围岩稳定性及支护结构的耐久性； 在坝体施工中，蚀变岩的强度和变形特性对坝基(肩)岩体稳定性起控制作用，并会对开挖和筑坝施工产生影响； 在抽水蓄能电站设计选址中，蚀变岩的分布规律和工程特征直接影响工程整体的规划设计； 在隧道工程中，蚀变岩会引起塌方、围岩大变形甚至山体开裂等地质灾害(廖建强， 2002； 张国宝等， 2008； 吴彤等， 2018； 梅稚平等， 2020)。

蚀变岩是原岩与热液或流体接触，其中某些物质发生交代作用，造成原岩的元素组成和结构构造发生变化所形成的一类特殊岩石。针对蚀变岩的工程影响，学者们对蚀变岩石性状的研究逐渐增多。从利用蚀变岩的蚀变特性在找矿学中取得进展，到具体研究蚀变岩的蚀变类型和物理力学性质，以解决工程问题中所遇到的蚀变岩问题，并据此提供相应的支护手段，杨敏之等通过研究蚀变岩中矿物元素转移特征，得出蚀变机理，进而将其运用到找矿学(杨敏之等， 1989； 杨进辉等， 2000； 安芳等， 2007)； 黄志全等发现不同类别的蚀变作用，造成蚀变岩存在不同的矿物成分，进而影响其性状的差别(黄志全等， 2011； 苗朝等， 2013； 杨成龙等， 2019)； 杨根兰等发现蚀变程度的加深会使蚀变岩的含水率、吸水率、孔隙度等物理性质增大，而抗压强度、抗剪强度等力学性质降低，进而影响工程的稳定性(杨根兰等， 2006； 杨根兰， 2007； 沈维， 2008； 王旭东， 2008； 聂林， 2012)。

现阶段，对于岩石的蚀变程度也有一定的研究。许亚重(2019)通过核磁共振测井响应值、中子孔隙和密度孔隙提出中子-密度蚀变指数，并与黏土矿物含量建立相关性，依此判断岩石蚀变程度； 王刚刚(2015)通过建立割线模量与岩石单轴抗压强度之间的线性相关来对蚀变岩进行工程分级； 王欣茹等(2021)选用对蚀变作用敏感的深侧向电阻率、声波时差、中子以及密度曲线来定义蚀变指数。

暨今为止，对岩石蚀变程度的分级方法大多较为复杂，通过蚀变矿物含量对蚀变程度进行判别的研究仍需完善。在实际工程中发现，蚀变岩性质差，结构破碎，蚀变程度严重的手抓即碎，严重影响着地下工程的稳定性以及施工进度。本文通过分析岩石蚀变特征，从岩石表观特征和蚀变矿物含量方面对蚀变岩蚀变程度进行分级，研究蚀变岩物理力学性质，分析蚀变岩隧洞围岩变形特征，对蚀变岩地区类似工程具有一定的参考价值。

1 蚀变岩宏微观特征

新疆北部某输水隧洞长41.82km， 38%洞段埋深超过1000m，最大埋深2260余米，属于深埋长隧洞。隧洞围岩岩性复杂多变，主要包括志留系、泥盆系、石炭系砂岩、变质砂岩、凝灰岩、凝灰质砂岩以及华力西期花岗岩等，其中花岗岩段长9.81km。花岗岩中广泛分布着蚀变岩，在隧洞施工过程中引起了围岩大变形、塌方等地质问题。

1.1 蚀变岩宏观特征

通过现场施工编录发现，不同蚀变程度岩石在其岩体结构、破碎程度和锤击响应等表观特征均有明显差异。弱蚀变岩结构完整，锤击声音较清脆、有回弹，浸水后无明显崩解现象，隧洞围岩中岩石断口的矿物色泽较未蚀变岩体略显暗淡，岩块塌落现象较少，局部有塌落，岩块的块度也较大，如图1a、图1b所示； 中等蚀变岩结构部分破坏，锤击声闷，浸水后强度降低，并有部分崩解，隧洞中的中等蚀变花岗岩洞壁局部较完整，顶拱位置塌块较多，岩块块度较大，有棱角，易形成空腔，如图1c、图1d所示； 强蚀变岩结构完全破碎，手捏即碎，浸水后呈雾状快速崩解，以干燥状态为主时，在隧洞拱顶位置多有碎屑或小岩块塌落，塌落的岩块无明显棱角，易形成较大的空腔，在护盾边缘常有大量的砂状碎屑流出，若以潮湿-湿状态时，在顶拱位置表现出明显的塑性变形，出现岩石将钢筋排包围的现象，如图1e、图1f所示。

图1 隧洞中及浸水后不同蚀变程度花岗岩状态Fig. 1 Granite state with different degree of alteration in the tunnel and after water immersiona. 顶拱弱蚀变岩； b. 浸水后的弱蚀变岩； c. 顶拱塌落的中等蚀变岩； d. 浸水后的中等蚀变岩； e. 顶拱潮湿状强蚀变岩； f. 浸水后的强蚀变岩

1.2 蚀变岩微观特征

为深入研究蚀变岩的蚀变矿物与蚀变特征，采用薄片鉴定和X射线衍射试验，对隧洞主洞、钻孔、勘探平硐及主洞旁的冲沟内蚀变样品进行微观分析。

1.2.1 黑云花岗闪长岩

1.2.1.1 细粒黑云花岗闪长岩

该岩石为块状构造，细粒花岗结构，矿物含量如表1所示。其中斜长石被绢云母、碳酸盐交代，蚀变较强烈； 钾长石被黏土矿物交代； 黑云母全部被绿泥石交代，形成交代假象结构。X射线衍射分析表明，斜长石含量明显低于薄片鉴定结果； 薄片鉴定中显示有黑云母，但是X衍射分析结果未见黑云母； 绿泥石含量6%～22%，另有一样品绿泥石含量高达41%； 部分样品含有黏土矿物，主要为伊利石。

表1 细粒黑云花岗闪长岩矿物含量表Table 1 Mineral content table of fine-grained biotite granodiorite

1.2.1.2 中粒黑云花岗闪长岩

该岩石为块状构造，中粒花岗结构，矿物含量如表2所示。斜长石可见环带构造，被绢云母交代，蚀变较强烈； 钾长石被黏土矿物交代； 黑云母呈鳞片状，全部被绿泥石交代，形成交代假象结构。X射线衍射分析表明，该岩石中斜长石含量明显低于薄片鉴定结果。薄片鉴定中显示有黑云母，但是X衍射分析结果未见黑云母； 绿泥石含量11%～23%； 含有黏土矿物，主要为伊利石。

表2 中粒黑云花岗闪长岩矿物含量表Table 2 Mineral content table of medium-grained biotite granodiorite

1.2.1.3 碎裂岩化黑云花岗闪长岩

该岩石在脆性状态下发生了破碎作用，裂纹较多，结构松散，但原岩结构构造尚可辨认，为块状构造，碎裂岩化结构、变余花岗结构，矿物含量如表3所示。斜长石可见环带构造，被绢云母、黏土矿物、碳酸盐交代； 钾长石被黏土矿物、碳酸盐交代； 黑云母呈鳞片状，全部被绿泥石交代，形成交代假象结构； 有晚期碳酸盐脉穿插。X射线衍射分析表明，斜长石和钾长石含量明显低于薄片鉴定结果； 薄片鉴定中显示有黑云母，但是X衍射分析结果未见黑云母； 绿泥石含量15%～16%； 含有黏土矿物，主要为蒙脱石。

表3 碎裂岩化黑云花岗闪长岩矿物含量表Table 3 Mineral content table of cataclastic biotite granodiorite

1.2.1.4 斑状黑云花岗闪长岩

该岩石为块状构造，似斑状结构。矿物含量如表4所示。斜长石环带构造发育，被绢云母、黏土矿物交代； 钾长石黏土化； 黑云母部分被绿泥石交代。X射线衍射分析表明，该岩石中含斜长石、钾长石含量发生变化，石英含量基本不变； 薄片鉴定中显示有黑云母，但是X衍射分析结果未见黑云母； 绿泥石含量6%～12%； 含有黏土矿物，主要为伊利石。

表4 斑状黑云花岗闪长岩矿物含量表Table 4 Mineral content table of porphyritic biotite granodiorite

1.2.2 黑云二长花岗岩

1.2.2.1 细粒黑云二长花岗岩

该岩石为块状构造，细粒花岗结构，矿物含量如表5所示。钾长石被黏土矿物交代，裂纹发育； 斜长石被绢云母、碳酸盐、黏土矿物交代，裂纹发育； 黑云母呈鳞片状，红褐色，多色性吸收性较显著。X射线衍射分析表明，该岩石中钾长石含量明显低于薄片鉴定结果； 薄片鉴定中显示有黑云母，但是X衍射分析结果未见黑云母； 绿泥石含量5%～10%； 含有黏土矿物，主要为蒙脱石； 伊利石含量较低； 个别样品含有较多沸石。

表5 细粒黑云二长花岗岩矿物含量表Table 5 Mineral content table of fine-grained biotite monzonitic granite

1.2.2.2 中粒黑云二长花岗岩

该岩石为块状构造，中粒花岗结构，矿物含量如表6所示。钾长石被黏土矿物交代； 斜长石环带构造较发育，被绢云母、碳酸盐交代； 黑云母部分被绿泥石交代。X衍射分析显示，该类型岩石中钾长石含量明显低于镜下鉴定结果，主要原因为钾长石蚀变为黏土矿物； 黑云母已基本完全蚀变为绿泥石； 部分样品中含有5%～10%沸石。

表6 中粒黑云二长花岗岩矿物含量表Table 6 Mineral content table of medium-grained biotite monzonitic granite

1.2.2.3 斑状黑云二长花岗岩

该岩石为块状构造，似斑状结构，矿物含量结果如表7所示。斜长石可见环带构造，被绢云母、绿帘石交代； 钾长石黏土化； 黑云母部分被绿泥石、绿帘石交代。X射线衍射分析表明，该岩石中钾长石含量明显低于薄片鉴定结果； 薄片鉴定中显示有黑云母，但是X衍射分析结果未见黑云母； 绿泥石含量9%； 含有黏土矿物，主要为伊利石，含量2%。

表7 斑状黑云二长花岗岩矿物含量表Table 7 Mineral content table of porphyritic biotite monzonitic granite

1.2.2.4 碎裂岩化二长花岗岩

该岩石在脆性状态下发生了破碎作用，局部破碎强烈，结构松散，为块状构造，碎裂岩化结构、变余细粒花岗结构，矿物含量如表8所示。斜长石可见环带构造，被绢云母、黏土矿物交代； 钾长石被黏土矿物交代； 黑云母全部被绿泥石交代，形成交代假象结构； 有晚期石英脉穿插。X衍射分析显示，该岩石中新生矿物有绿泥石、蒙脱石、伊利石和沸石； 未检出黑云母，钾长石含量明显低于镜下鉴定结果，为绿泥石化和黏土化蚀变的结果。

表8 碎裂岩化二长花岗岩矿物含量表Table 8 Mineral content table of cataclastic monzonitic granite

新鲜的花岗岩样品中只含有少量绿泥石和伊利石(<5%)，而蚀变岩中绿泥石和黏土矿物含量达到了7%～41%。X射线衍射结果显示，岩石中的黑云母完全蚀变为绿泥石； 花岗闪长岩样品中斜长石含量明显低于薄片鉴定结果，且样品中含有伊利石，表明部分斜长石蚀变为伊利石； 二长花岗岩样品中钾长石含量明显低于薄片鉴定结果，且黏土矿物主要为蒙脱石，表明钾长石蚀变为蒙脱石； 碎裂岩化样品中斜长石和钾长石含量均明显低于薄片鉴定结果，且含有伊利石和蒙脱石，表明斜长石和钾长石均发生明显蚀变。综合以上试验成果，可以确定岩石主要蚀变类型为黑云母的绿泥石化和钾长石的黏土化。

2 岩石蚀变程度分级

化学蚀变指数(CIA)在1982年由Nesbitt等首次提出，其利用风化产物中的Al2O3、CaO、K2O、Na2O的摩尔分数建立研究源区风化情况的定量指标，后被学者们广泛使用和拓展(冯连君等， 2003； 牛东风等， 2019)。

基于研究区内各类岩石样品薄片鉴定和X射线衍射试验结果，发现岩石主要蚀变产物为绿泥石和黏土矿物，其他蚀变矿物产物总量低于1%，各样品中蚀变矿物含量如表9所示。因此，可利用岩石中蚀变矿物含量建立蚀变指数，并结合表观特征，判别岩石的蚀变程度。

表9 各样品中蚀变矿物含量统计表Table 9 Statistical table of alteration mineral content in each sample

根据蚀变指数，并结合样品的表观特征对岩石蚀变程度进行分级，分为弱蚀变、中等蚀变和强蚀变，即在岩石类别较为均一的情况下，绿泥石和黏土矿物含量越大，蚀变程度越高。岩石蚀变程度分级如表10所示。

表10 岩石蚀变程度分级表Table 10 Alteration index grading table

在工程应用中，可先通过对蚀变岩石的表观特征进行宏观定性判别，选取代表性样品进行室内试验，而后根据蚀变矿物含量确定蚀变指数，进行微观定量判定，明确岩石蚀变程度。此方法相较于其他分级方法较为简易、快捷，具有一定的实际意义。

3 蚀变岩物理力学性质

3.1 蚀变岩物理性质

选取钻孔、主洞和勘探平硐内不同蚀变程度以及新鲜未蚀变岩石样品进行基础物理试验，结果如表11所示。

表11 不同蚀变程度岩石物理性质Table 11 Physical properties of rocks with different degrees of alteration

新鲜岩石的自然吸水率均值为0.44%，岩石由新鲜到中等蚀变过程中，自然吸水率在每个阶段的增长幅度均大于50%； 强蚀变岩石中含有大量黏土矿物，在浸水1～2分钟内，岩块迅速崩解，最后在水中呈砂土状，无法测其吸水率。由此可见，蚀变岩的自然吸水率随蚀变程度变化趋势明显，蚀变程度越深，岩石自然吸水率明显增大。

新鲜岩石的孔隙率均值为2.72%，在蚀变作用的影响下，岩石内部结构发生变化，造成其孔隙率迅速增长，强蚀变岩石的孔隙率高达11.98%； 由新鲜至强蚀变的过程中，每一级岩石孔隙率增长幅度约为55%～70%。由此可见，蚀变岩的孔隙率随蚀变程度变化趋势明显，蚀变程度越深，孔隙率越大。

3.2 蚀变岩力学性质

对钻孔、主洞和勘探平硐内蚀变岩样品进行力学性质试验，结果如表12所示。蚀变岩在饱和状态下，其中的黏土矿物遇水膨胀崩解。室内单轴压缩试验中，弱蚀变岩的饱和单轴抗压强度均值有75.97MPa，中等蚀变岩的均值只有25.03MPa，下降幅度达到了67%； 强蚀变岩饱和单轴抗压强度只有0.63MPa，相较于弱蚀变岩石下降幅度高达99%； 岩石由弱蚀变变化至强蚀变，弹性模量均值由35.12GPa降至0.19GPa，变形模量均值由31GPa降至0.14GPa，泊松比均值由0.24提升至0.40。由此可见，蚀变作用对岩石的力学性质影响趋势明显，蚀变程度越深，岩石的饱和单轴抗压强度、弹性模量和变形模量均急剧降低，泊松比有显著升高。

表12 不同蚀变程度岩石力学性质Table 12 Mechanical properties of rocks with different degrees of alteration

综合以上试验成果发现，蚀变作用生成了绿泥石和黏土矿物，破坏了岩石的原始矿物组成和原始结构特征，使其内部结构松散，对花岗岩的物理力学性质均有不同程度的劣化。新鲜花岗岩原属坚硬岩类，经过蚀变作用后，其性质逐渐变差。弱蚀变岩属较坚硬岩，对实际工程设计和施工影响较小； 中等蚀变岩的差异性较大，属较软岩-较坚硬岩，仍具有一定的强度，但在实际工程中需考虑地下水环境的影响，富水条件下应给予一定的重视； 强蚀变岩几乎无强度，属极软岩，对工程危害极大，在设计和施工时应重点关注。

4 工程应用

基于对蚀变岩蚀变程度和物理力学性质的研究，对典型蚀变岩隧洞段样品进行室内试验，判断其蚀变程度，根据试验结果，并结合一些学者研究成果(范新宇等， 2019； 韩振华等， 2019； 沙鹏等， 2020； 王猛等， 2021)，对隧洞段进行开挖和支护数值模拟，分析洞室的稳定性和支护效果，研究蚀变岩在工程中的实际影响。

桩号38+538～38+527段岩性为二长花岗岩，该段围岩以中等蚀变为主，局部为轻微蚀变，分布不连续，岩石强度较低； 岩体内裂隙较发育，沿裂隙多发育有强蚀变岩； 围岩整体呈碎裂结构，洞室干燥，未见地下水。桩号38+517～38+512段岩性为二长花岗岩，为强蚀变岩，岩石强度不均一，大部分强度极低，手捻即碎，顶拱塌落，塌落深度局部达3～4m。

数值模拟结果(表13)得出：桩号38+538～38+527段隧洞开挖未支护状态下总位移7.63cm； 桩号38+517～38+512段洞室开挖未支护状态下总位移212.23cm。说明随着岩体蚀变程度的加深，隧洞围岩的位移明显增大，实际已经发生大变形破坏。

表13 隧洞开挖支护前后各典型剖面位移量Table 13 Displacement of each typical profile before and after tunnel excavation and support

采用加密钢拱架、加密纵向连接筋、喷射聚丙烯粗纤维混凝土以及化学灌浆等支护措施后，桩号38+538～38+527段隧洞总位移为0.98cm，桩号38+517～38+512段为1.91cm，隧洞变形得到了有效控制，洞室处于稳定状态。

5 结 论

(1)花岗岩蚀变类型主要为黑云母的绿泥石化和钾长石的黏土化，提出基于岩石表观特征和蚀变指数作为判别岩石蚀变程度的指标，将其分为弱蚀变、中等蚀变和强蚀变3个等级。

(2)随蚀变程度的增加，蚀变岩自然吸水率、孔隙率相应增加，块体密度则降低； 弱蚀变花岗岩较新鲜未蚀变岩石力学性质略微降低，中等蚀变岩力学性质虽降幅较大，但仍具有一定强度，强蚀变岩几乎无强度，属极软岩。

(3)随着岩体蚀变程度的加深，隧洞围岩位移明显增大，强蚀变岩隧洞段开挖后出现大变形破坏，采用加强支护措施后，隧洞变形明显减小，洞室处于稳定状态。