廈門島花崗巖球狀風化體分布規(guī)律統(tǒng)計分析

許貴華 林樹枝,2

(1.廈門大學建筑與土木工程學院 福建廈門 361005； 2.廈門市建設局 福建廈門 361003)

0 引言

廈門島處于“閩東燕山斷坳帶”東側與閩東沿海變質帶相接部位的中部，受地質變化影響，花崗巖廣泛分布。在多組節(jié)理作用下，花崗巖被分割成棱角塊狀，經過長期物理風化和化學風化作用后，逐漸變?yōu)榍驙顜r塊，即花崗巖球狀風化體[1]?；◢弾r球狀風化體，俗稱“孤石”，是花崗巖地區(qū)非常突出的不良地質現(xiàn)象[2]。

由于孤石分布具有隨機、大小不一、強度大難以處理等特點，地鐵施工過程中孤石極易對施工造成影響，尤其在采用盾構法施工時，對工程建設進度、質量和安全產生重大影響，主要影響包括：

(1)巖體強度大對盾構刀具、刀盤損壞嚴重，頻繁卡盤，掘進困難。

(2)由于孤石與周邊巖體強度差異大，掘進過程中，若孤石位于盾構機的邊緣，可能會擠壓盾構機，盾構機姿態(tài)難以調整，嚴重情況下將致使掘進偏離線路。

(3)位于不良地層時，特別是在隧道地質條件較差或孤石上方存在建筑物、道路及密集管線時，進倉換刀困難，且盾構機在孤石地層中掘進時擾動大，易引起地面沉降[3]。

因此，提前進行勘探發(fā)現(xiàn)隧道施工過程中可能遇到的孤石，進行預處理至關重要。

孤石的空間分布具有較大的隨機性，很難對孤石的分布進行準確預測，但是在特定條件下的區(qū)域內，孤石分布具有一定的規(guī)律性[4]。通過對已有孤石數據的統(tǒng)計分析，總結孤石分布特性，對孤石特性的進一步研究，能夠輔助鉆探和物探，提升勘探的精確性。

1 孤石數據收集

目前，孤石的勘探方法主要包括物探和鉆探。近年來，隨著技術的提升，物探技術雖然有了長足的發(fā)展，但由于地質情況的復雜性以及周邊環(huán)境的影響，還不能完全保證物探的準確性。鉆探能夠直觀有效地揭露孤石的垂直剖面上的分布情況，為保證樣本數據真實可靠，本次孤石樣本均來自鉆探所揭露的孤石。

地鐵工程跨度大，覆蓋區(qū)域廣，本次收集廈門市軌道交通1號線一期工程和廈門市軌道交通2號線一期工程的勘察報告，包含47個工點，涵蓋了廈門島的主要區(qū)域，從而保證統(tǒng)計結果具有代表性。

2 孤石分布特性

孤石的分布位置、風化程度、分布層位、大小等性質直接決定孤石對工程的影響。本文對勘察報告中所揭露的394個孤石樣本的風化程度、分布層位、中心高程、厚度及豎向發(fā)育個數等指標進行統(tǒng)計分析。

2.1 孤石發(fā)育率

目前尚無規(guī)范對孤石發(fā)育程度統(tǒng)一的分級，本文根據文獻[5]提出的鉆孔遇孤石率這個指標來評估孤石發(fā)育程度。根據該指標孤石發(fā)育程度劃分為4個等級，分別為弱發(fā)育、中等發(fā)育、強發(fā)育、極強發(fā)育，如表1所示。

表1 孤石發(fā)育程度劃分表

對各區(qū)間鉆孔遇孤石比例統(tǒng)計分析，如表2所示。

(1)共有鉆孔1695個，其中揭露孤石鉆孔252個，平均鉆孔遇殘余體率為14.9%，其中蔡塘站至古地石站鉆孔遇孤石率高達40.5%，可見孤石問題在廈門地區(qū)十分突出。

(2)各個車站區(qū)間鉆孔遇孤石率各不相同，其中蔡塘站至古地石站鉆孔遇殘余體比例達40.5%，而文灶站～湖濱東路站未發(fā)現(xiàn)孤石，體現(xiàn)了孤石空間的分布不均勻性。

表2 各車站區(qū)間鉆孔遇孤石率統(tǒng)計表

注：中山路西站～中山路站表示包含中山西路站和中山路西站～中山路站區(qū)間兩個工點，余同。

2.2 孤石豎向分布個數

對單孔揭露孤石個數統(tǒng)計分析如表3所示。表3顯示，共有252個鉆孔揭露存在孤石，共發(fā)現(xiàn)394個孤石，存在單孔揭露多個孤石的情況，單孔最多揭露5個孤石，但大多數為單孔揭露單個孤石，占比為64.7%，隨著單孔揭露孤石數量的增加而減少。可見，孤石豎向分布主要以單個零星分布，也存在多個集群分布情況。

表3 單孔揭露孤石個數統(tǒng)計表

2.3 孤石表現(xiàn)形式

根據《工程巖體分級標準》(GBT50218-2014)，按巖石的風化程度分為：未風化、微風化、中風化、強風化、全風化?；◢弾r地區(qū)通常情況下風化層序從上到下分別為殘積土、全風化、強風化、中風化、微風化和未風化，由于孤石的存在，往往會改變這樣的分布規(guī)律[6]。通過對孤石樣本的風化程度統(tǒng)計和分布層位統(tǒng)計分析如表4所示。

表4 孤石風化程度與分布層位統(tǒng)計表

(1)孤石風化程度以微風化和中風化為主，其中微風化花崗巖強度大、巖質堅硬、巖體完整，僅有少量風化裂隙，共有183個，所占比例為46%；中風化花崗巖結構部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風化裂隙發(fā)育，共有197個，所占比例為50%；其余為強風化和全風化，強度低，結構基本被破壞或完全被破壞，共有14個，所占比例為4%。

(2)孤石在殘積土層、全風化層、強風化層及中風化層中皆有分布，主要分布在強風化層和全風化層中。其中，分布在強風化層的孤石共217個，所占比例為55%；分布在全風化層的孤石共116個，所占比例為29%；分布在殘積層的孤石共58個，所占比例為15%；極個別分布在中風化層中。

(3)孤石的主要表現(xiàn)形式為：強風化層中含有中風化和微風化的孤石，其次是全風化層中含有中風化和微風化的孤石。中風化和微風化孤石巖質堅硬、強度大，相對于周圍地層強度差異大，開挖面力學性質不均勻，使施工難度大大增加。尤其在盾構掘進過程中遇到此類孤石，可能會導致盾構機偏離路線，引起沉降，甚至是開挖面崩塌。需引起足夠重視，做好超前勘察工作，根據孤石的巖性與分布地層，選用合適有效的方法處理孤石，以減少孤石帶來的危害。

2.4 孤石中心高程

對孤石樣本的中心高程統(tǒng)計分析如圖1所示，并可得到及以下結論：

(1)本次統(tǒng)計的394個孤石樣本，在-45m～35m范圍內皆有分布，體現(xiàn)了孤石空間分布的隨機性和不均勻性。

(2)孤石中心高程近似服從正態(tài)分布，孤石中心高程主要在-35m～15m區(qū)間內，占比達95%，其中在-15m～-5m區(qū)間內分布最多占32%，其次-5m～5m區(qū)間占26%，-25m～-15m區(qū)間占17%，5m～15m區(qū)間占11%，-35m～-25m區(qū)間占9%。

(3)孤石中心高程在較高處或較低處出現(xiàn)頻率較低，-45m～-35m區(qū)間占1%，15m～35m區(qū)間占4%。

圖1 孤石中心高程統(tǒng)計直方圖

2.5 孤石厚度

在長期風化作用下，孤石多呈橢球狀，在當前的勘察技術下，較難全面立體地反映孤石形態(tài)，但以鉆孔所揭露的豎向厚度進行分析，仍然能夠從整體上反映孤石的大小變化特性。通過對孤石樣本的厚度統(tǒng)計分析如圖2所示，結論如下：

圖2 孤石厚度統(tǒng)計直方圖

(1)孤石厚度在0～12m范圍內皆有發(fā)現(xiàn)，其中最小厚度為0.3m，最大厚度11.6m。

(2)孤石的厚度主要集中在0～4m，共占90%，其中0～2m區(qū)間內的數量最多，占比為62%，2m～4m區(qū)間占28%。

(3)隨著厚度增大，出現(xiàn)的概率減小，孤石厚度在4m～6m區(qū)間占6%，大于6m占4%。

3 結論

通過對孤石樣本的統(tǒng)計分析，可以看出廈門地區(qū)孤石廣泛分布，存在集群分布的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)形式為中風化和微風化的孤石，分布在強風化層與全風化層中。孤石中心高程近似服從正態(tài)分布，主要分布在高程-35m～15m區(qū)間內，孤石厚度主要集中在0～4m范圍內。

鉆探可以直觀地揭露孤石的存在，但存在局限性，只能揭露鉆孔處的地質情況。由于孤石分布離散，傳統(tǒng)的鉆探難以全面精確地反映孤石的真實分布情況。相對傳統(tǒng)的鉆探方法，物探能夠更加全面立體地反映孤石分布情況，但由于地質情況的復雜性以及周邊的干擾，目前尚不能完全保證物探結果的準確性。物探和鉆探都有其優(yōu)點，單獨采用一種方法往往具有局限性，不能夠準確地反映地質情況，因此可采用前期孤石特性分析結果與物探、鉆探相結合的綜合勘探方法。

(1)對已有的孤石數據進行深度分析，包括孤石的風化程度、分布層位、大小、形狀以及分布特征等性質，并根據孤石的發(fā)育情況對孤石的分布區(qū)域進行劃分，對可能發(fā)育區(qū)域進行預判，從而有針對性地指導物探和鉆探工作，分析結果能夠對鉆探和物探結果起到輔助分析的作用。

(2)物探方法多種多樣，不同的方法適用條件各不相同，針對孤石發(fā)育地段場地特點，選取合適的物探方法進行勘探，從宏觀上掌握孤石的空間分布情況。

(3)在物探的基礎上，有針對性地進行鉆孔勘探，揭露局部上孤石的分布情況，并對物探結果進行驗證[7]。

因此，進一步開展孤石研究，完善勘探方法，提高勘探的精確性，可為設計施工提供準確詳實的依據，以針對孤石做到早發(fā)現(xiàn)早處理，減少孤石所帶來的隱患。

[1] 田文彪. 談花崗巖地區(qū)的孤石成因[J]. 山西建筑,2015,41(25):76-77.

[2] 王浩,劉成禹,陳志波. 閩東南花崗巖球狀風化不良地質發(fā)育特征及其工程地質問題[J]. 工程地質學報,2011,19(4):564-569.

[3] 劉建國. 深圳地鐵盾構隧道施工技術研究與實踐[M].北京：人民交通出版社,2011.

[4] 梁奎生. 臺山核電海底泥水盾構隧洞基巖及風化孤石地層深孔爆破技術研究與應用[D].長沙：中南大學,2012.

[5] 蘇紹峰.揭惠高速公路花崗巖孤石分布特征及發(fā)育程度評估研究[J].廣東公路勘察設計, 2015 (8):28-30.

[6] 曹權,項偉,王鳳華,等. 深圳地區(qū)花崗巖球狀風化體地下分布規(guī)律統(tǒng)計分析[J]. 水文地質工程地質,2013,40(5):87-90,96.

[7] 李國祥,杜坤乾,楊勇,等. 花崗巖風化地層中“孤石含量百分比”的確定方法[J]. 地質與勘探,2012,48(3):629-636.