深圳地區(qū)花崗巖地層巖土工程特性及對(duì)地鐵工程的影響

張昌新 鄭太航 余志江

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

深圳地區(qū)花崗巖地層巖土工程特性及對(duì)地鐵工程的影響

張昌新 鄭太航 余志江

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

通過對(duì)深圳地區(qū)花崗巖地層巖土工程特性(物理力學(xué)性質(zhì)、崩解性和差異風(fēng)化)的分析，得到如下結(jié)論：花崗巖殘積土和全風(fēng)化巖浸水易軟化、崩解，施工過程中宜注意采取防排水措施，并盡量減少對(duì)其擾動(dòng)，避免長時(shí)間暴露和泡水?；◢弾r地層中差異風(fēng)化形成孤石、風(fēng)化深槽和上軟下硬地層，會(huì)給地鐵工程施工帶來不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)工程事故。

花崗巖 巖土工程特性 地鐵工程

深圳市位于廣東省南部，地處珠江三角洲南端，西臨南海，總體地勢東南高、西北低。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，深圳地區(qū)花崗巖地層分布廣泛，約占區(qū)內(nèi)面積50%以上。隨著深圳地鐵建設(shè)的大規(guī)模開展，工程界對(duì)花崗巖地層的巖土工程特性有了更深入的認(rèn)識(shí)，以下重點(diǎn)分析和討論花崗巖地層對(duì)地鐵工程的影響。

1 花崗巖地層的分布特征

深圳地區(qū)花崗巖主要分布于東南部的鹽田區(qū)和大鵬新區(qū)，西部的福田、寶安、南山、龍華新區(qū)的局部范圍也有分布。東部花崗巖區(qū)原始地貌主要為丘陵和臺(tái)地，基巖埋深總體較薄，局部基巖裸露；西部花崗巖區(qū)及濱海地帶原始地貌主要為低臺(tái)地、沖積平原及濱海平原，地形較平緩，殘積土及全、強(qiáng)風(fēng)化帶厚度較大，最厚可達(dá)90 m。

根據(jù)深圳市標(biāo)準(zhǔn)《地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(SJG 01—2010)，按風(fēng)化程度，花崗巖地層可分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化及殘積土六層；按≥2 mm顆粒含量，又可將花崗巖殘積土分為礫質(zhì)黏性土、砂質(zhì)黏性土和黏性土三類。

深圳地區(qū)以中-粗?；◢弾r為主，其風(fēng)化形成的殘積土主要為礫質(zhì)黏性土，砂質(zhì)黏性土次之。根據(jù)深圳花崗巖分布區(qū)地鐵工程殘積土分層統(tǒng)計(jì)及室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，礫質(zhì)黏性土約占花崗巖殘積土80%左右，砂質(zhì)黏性土約占15%～20%，黏性土只占不足3%。

2 巖土工程性質(zhì)

由于花崗巖自身礦物組份的差異和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的多樣性，花崗巖地層也呈現(xiàn)出不同于一般地層的工程地質(zhì)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在殘積土及風(fēng)化巖的風(fēng)化特征和各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)等方面。

2.1 物理力學(xué)性質(zhì)

深圳地區(qū)花崗巖殘積土及全風(fēng)化巖中粗顆粒含量較多，不同于一般黏性土，其大于0.25 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%，按國標(biāo)顆粒成分可定名為中砂—礫砂。根據(jù)深圳地鐵勘察室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，花崗巖殘積土天然含水量一般在16.3%～40.0%間，重度16.5～22.2 kN/m3，天然孔隙比0.447～1.543；壓縮系數(shù)0.3～0.8 MPa-1，壓縮模量2.5～6.7 MPa(由于取樣及試驗(yàn)室開樣過程易擾動(dòng)，實(shí)測壓縮系數(shù)偏大，壓縮模量偏小)；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)兼具黏性土與砂類土特性：直剪快剪內(nèi)摩擦角13.6°～33.6°，黏聚力15.1～37.7 kPa；滲透系數(shù)滲透性微—弱，為0.012～0.282 m/d；主要黏土礦物為高嶺石，伊利石次之，自由脹率3%～8%。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖直接快剪內(nèi)摩擦角18.1°～45.2°，黏聚力7.5～36.4 kPa；中等風(fēng)化花崗巖的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般在30～40 MPa左右；微風(fēng)化花崗巖的巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般在55～100 MPa之間，最大可達(dá)175 MPa。

2.2 崩解性

花崗巖殘積土及全風(fēng)化巖顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點(diǎn)，即顆粒成分中，粗顆粒(>0.5 mm)組分及顆粒小組分(<0.075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少。這種獨(dú)特的組分特征，為小顆粒從大顆粒的孔隙中涌出提供可能的條件。根據(jù)表1崩解性試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣在浸水后，短期內(nèi)迅速軟化、崩解，工程性質(zhì)急劇變差，在卸荷、擾動(dòng)以及水動(dòng)力影響下，易產(chǎn)生管涌、流土等滲透變形現(xiàn)象。

表1 崩解性試驗(yàn)成果匯總統(tǒng)計(jì)

注：崩解速度=崩解量/崩解時(shí)間。

2.3 差異風(fēng)化

差異風(fēng)化現(xiàn)象的形成除受巖體自身礦物成分不均勻性和巖體內(nèi)部節(jié)理、裂隙發(fā)育情況影響外，還與眾多外部因素有關(guān)，如氣候、地形地貌及水文地質(zhì)條件等。球狀風(fēng)化(孤石)通常表現(xiàn)為殘積土及全強(qiáng)風(fēng)化巖中夾球狀中等、微風(fēng)化巖；風(fēng)化深槽(陡坎)主要指基巖面變化突然、起伏巨大，起伏形態(tài)各異，極端情況下出現(xiàn)“V”形風(fēng)化深槽或“A”形陡坎，使地層的均勻性、連續(xù)性和穩(wěn)定性遭到破壞?；◢弾r典型球狀風(fēng)化(孤石)和風(fēng)化深槽(陡坎)現(xiàn)象見圖1。

圖1 花崗巖地層球狀風(fēng)化(孤石)和風(fēng)化深槽(陡坎)

3 對(duì)地鐵工程的影響

3.1 基坑工程

地鐵車站多位于繁華市區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用地連墻或鉆(沖)孔樁加樁間止水。

花崗巖殘積土、全強(qiáng)風(fēng)化層中風(fēng)化球的分布具有隨機(jī)性，一般不具規(guī)律，詳細(xì)勘察往往很難查清，地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，常常造成鉆(沖)孔樁出現(xiàn)偏孔、擴(kuò)孔、卡錘等現(xiàn)象。風(fēng)化深槽(陡坎)會(huì)導(dǎo)致地連墻墻底高程連續(xù)性差、止水效果不佳、圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵限等問題。如深圳地鐵工程某車站地層中多處存在風(fēng)化陡坎和風(fēng)化深槽，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中，部分樁施工時(shí)擴(kuò)孔、偏孔嚴(yán)重，時(shí)?？ㄥN；基坑開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)局部侵限及坑壁滲水等問題。

花崗巖殘積土及全風(fēng)化巖具有遇水易迅速軟化崩解的特點(diǎn)。因此，花崗巖殘積土和全、強(qiáng)風(fēng)化巖層中開挖基坑前，應(yīng)首先做好基坑排水措施，將地下水位降至開挖面以下0.5 m，分層分塊開挖，并保護(hù)好基底土層。

3.2 隧道工程

地鐵隧道施工多采用盾構(gòu)法或礦山法施工，花崗巖地層中發(fā)育的孤石及花崗巖的上軟下硬地層往往給工程施工帶來不利。

(1)礦山法施工隧道

當(dāng)?shù)V山法施工隧道在松散地層中通過時(shí)，為確保施工時(shí)洞內(nèi)干燥和工作面地層自穩(wěn)，常進(jìn)行洞內(nèi)注漿止水，既能滿足止水，又能加固地層。當(dāng)洞身范圍內(nèi)存在上軟下硬地層時(shí)往往造成注漿效果不佳，無法達(dá)到止水的目的，并進(jìn)而引發(fā)事故，在深圳地鐵某區(qū)間施工時(shí)，即發(fā)生上述情況。根據(jù)勘察資料，此處隧道拱頂圍巖為全風(fēng)化巖，其上部為富水礫砂層，洞身范圍為上部全風(fēng)化、下部中等風(fēng)化巖，由于超前注漿止水效果不理想，開挖至該段時(shí)水量突然增大，攜帶大量泥沙從拱腰處涌出。

當(dāng)隧道洞身范圍內(nèi)存在風(fēng)化深槽時(shí)，將造成圍巖或工作面地層突變，施工時(shí)常造成隧道塌方(如圖2所示)。深圳地鐵某區(qū)間下穿市政快速干道，根據(jù)勘察資料，隧道圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，礦山法施工時(shí)，遇風(fēng)化深槽，工作面前方圍巖突然變差，以全、強(qiáng)風(fēng)化巖為主，同時(shí)地下水量較大。由于預(yù)計(jì)的圍巖較好，未采取相應(yīng)的超前支護(hù)措施，開挖至該段后，出現(xiàn)坍塌，隧道一度出現(xiàn)險(xiǎn)情。

圖2 未探明的風(fēng)化深槽導(dǎo)致圍巖坍塌

(2)盾構(gòu)法施工隧道

盾構(gòu)機(jī)在花崗巖地層中掘進(jìn)時(shí)遇到孤石，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)瞬間荷載突增，極易出現(xiàn)卡刀、刀圈崩裂、刀具偏磨等現(xiàn)象；如不能及時(shí)處理，孤石在刀盤前方隨刀盤滾動(dòng)，導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢，盾構(gòu)姿態(tài)不易控制，地層擾動(dòng)加劇，進(jìn)而有可能引起地面沉降甚至塌陷。深圳地鐵深桃區(qū)間、固后區(qū)間盾構(gòu)施工時(shí)即遇到上述情況，最終造成地表塌陷事故(如圖3所示)。

盾構(gòu)施工遇到上軟下硬地層時(shí)，由于隧道下部地層強(qiáng)度高，在磨巖過程中，盾構(gòu)機(jī)頭部容易“上漂”，切削刀頭與盾身鋼殼間拱頂土層不能長時(shí)間自穩(wěn)而塌落，出土過多而形成空洞，進(jìn)而引起地面沉降或塌陷，出現(xiàn)險(xiǎn)情。軟硬不均地層同樣也會(huì)造成刀盤、刀具損耗增大的問題。

對(duì)于采用盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道，應(yīng)在詳勘基礎(chǔ)上進(jìn)行施工勘察，進(jìn)一步查明孤石或上軟下硬段的分布，并采取相應(yīng)的預(yù)處理措施。預(yù)處理措施可采取破碎和孔內(nèi)爆破技術(shù)，或采用旋噴加固、地表注漿將全斷面硬化，確保施工安全。當(dāng)不可避免需開倉處理孤石或局部硬巖時(shí)，應(yīng)預(yù)先做好刀盤前方土體及圍巖加固，確保安全后方可進(jìn)入。多采用膨脹劑、劈裂機(jī)或破碎機(jī)將孤石或硬巖劈解成小塊后取出。

3.3 高架及房建樁基礎(chǔ)工程

目前深圳地鐵高架段及車輛基地中的房建工程多采用樁基礎(chǔ)，以中等、微風(fēng)化巖作為樁端持力層，孤石的存在可能造成樁基持力層的誤判。樁基施工以沖(鉆)孔灌注樁為主，孤石發(fā)育時(shí)極易導(dǎo)致卡錘、偏孔等孔內(nèi)事故，堅(jiān)硬的孤石，不僅引起樁錘損耗，而且導(dǎo)致進(jìn)尺緩慢，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。風(fēng)化深槽(陡坎)基巖面一般較陡，沖孔過程中極易發(fā)生偏孔、擴(kuò)孔，同時(shí)樁端完整嵌固深度也難以保證。以深圳地鐵環(huán)中線為例，塘朗車輛段屬典型花崗巖孤石分布區(qū)，施工圖階段勘察單孔揭露孤石最多達(dá)6個(gè)，樁基礎(chǔ)施工時(shí)，沖孔樁機(jī)經(jīng)常偏孔，擴(kuò)孔，不得已回填石料糾偏，極大影響了施工進(jìn)度。由于未進(jìn)行逐樁超前地質(zhì)鉆探，個(gè)別工程樁由于孤石引起地層誤判，最終導(dǎo)致廢樁。因此，對(duì)于花崗巖地層，進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探是十分必要的。

3.4 車輛基地邊坡工程

深圳土地資源稀缺，車輛段、停車場多位于廢棄的采石場，往往需要大面積的場地開挖修整，形成規(guī)模較大的人工邊坡。

花崗巖殘積土和全風(fēng)化巖形成的土質(zhì)邊坡開挖后，卸荷形成臨空面上的土體易沿原生或次生結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)。深圳雨季較長，由于花崗巖殘積土和全風(fēng)化巖浸水后易崩解，邊坡開挖后若不及時(shí)支護(hù)，土體中的原有細(xì)粒物質(zhì)極易被沖走，形成深溝甚至坍塌，危及邊坡及周邊環(huán)境安全。

由花崗巖中等、微風(fēng)化巖體形成的巖質(zhì)邊坡，其穩(wěn)定性主要取決于巖體中結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與邊坡臨空面的關(guān)系及外力影響。當(dāng)節(jié)理傾向邊坡臨空面，傾角與邊坡傾角接近時(shí)，坡腳卸荷、坡頂加載以及坡體周邊其他外力(主要指振動(dòng)或地下水壓力)影響都有可能誘發(fā)順節(jié)理面滑坡；因此，花崗巖巖體中結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對(duì)邊坡穩(wěn)定性、支護(hù)方式及治理成本影響較大。

4 結(jié)論

花崗巖地層的巖土工程特性決定了其對(duì)地鐵工程設(shè)計(jì)和施工的特別影響。

花崗巖殘積土和全風(fēng)化巖遇水迅速軟化崩解，地鐵工程施工應(yīng)減少對(duì)其擾動(dòng)，并注意采取排水措施，避免長時(shí)間暴露和浸水。

花崗巖地層差異風(fēng)化形成孤石和風(fēng)化深槽及上軟下硬地層給地鐵工程施工造成不利影響，嚴(yán)重的甚至引發(fā)工程事故。在施工之前，應(yīng)在詳勘的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工勘察。對(duì)于盾構(gòu)區(qū)間施工勘察應(yīng)不拘泥于規(guī)范，鉆孔應(yīng)盡量在洞身內(nèi)布置(完成后嚴(yán)格封孔)以期進(jìn)一步查清孤石和上軟下硬地層的分布。在此基礎(chǔ)上，采取合適的預(yù)處理措施，保證工程施工安全。

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TheCharacteristicsandInfluencetoSubwayConstructionofWeatheredGraniteinShenzhenArea

ZHANG Chang-xin ZHENG Tai-hang YU Zhi-jiang

2014-06-12

張昌新(1965—)，男，1986年畢業(yè)于西南交通大學(xué)工程地質(zhì)專業(yè)，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師。

1672-7479(2014)05-0026-03

TU451

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