廈門(mén)島內(nèi)花崗巖球狀風(fēng)化特征分析及其工程地質(zhì)問(wèn)題

張 兵

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

球狀風(fēng)化體是花崗巖地區(qū)較為常見(jiàn)的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。球狀風(fēng)化體的存在會(huì)造成風(fēng)化帶均勻性變差，力學(xué)強(qiáng)度差異大，往往給工程勘察、設(shè)計(jì)、施工造成不良影響。

關(guān)于花崗巖球狀風(fēng)化的成因，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究工作。王浩等認(rèn)為花崗巖球狀風(fēng)化與礦物成份差異、構(gòu)造斷裂帶分布和區(qū)域氣候條件有關(guān)[1]；陳明曉結(jié)合廣州沿海地區(qū)花崗巖風(fēng)化情況的分析研究，認(rèn)為氣候條件、地形地貌和花崗巖的不同特征是其主要影響因素，花崗巖礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況決定了花崗巖中普遍存在差異風(fēng)化現(xiàn)象[2]；馮濤等統(tǒng)計(jì)分析了花崗巖球狀風(fēng)化體的地下分布特征，其在垂直風(fēng)化面上具有“上小下大、上多下少”的總體分布趨勢(shì)[3]；此外，還對(duì)花崗巖球狀風(fēng)化體的礦物元素含量和微觀形貌特征進(jìn)行了研究[5]；董榮認(rèn)為花崗巖球狀風(fēng)化體的形成是因地質(zhì)應(yīng)力和巖體裂隙中的風(fēng)化產(chǎn)物(黏土礦物)吸水膨脹、失水收縮而形成[4]。根據(jù)廈門(mén)地鐵1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)線島內(nèi)段鉆探揭示的花崗巖球狀風(fēng)化體狀況，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、水文、地形地貌及礦物成分，對(duì)廈門(mén)島內(nèi)花崗巖球狀風(fēng)化體的分布特征進(jìn)行分析。

2 球狀風(fēng)化體的形成過(guò)程

在廈門(mén)地區(qū)，因晚侏羅世以來(lái)的燕山運(yùn)動(dòng)，以及太平洋板塊向歐亞大陸板塊的俯沖，造成其斷塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)加劇。許多斷裂帶成為火山噴發(fā)的天然通道，導(dǎo)致規(guī)模巨大的火山噴發(fā)，形成本市境內(nèi)分布廣泛的上侏羅統(tǒng)南園組巨厚的鈣堿性火山巖系堆積。廈門(mén)島內(nèi)中部仙岳山呈北東向帶狀分布，由于板塊構(gòu)造活動(dòng)劇烈，幔源物質(zhì)沿?cái)嗔褞仙纬纱竺娣e的侵入巖體—花崗巖。冷卻后，溶體收縮并產(chǎn)生張力，使巖體破裂，形成一些冷縮節(jié)理[6]，為后期風(fēng)化剝蝕提供了條件。自晚白堊紀(jì)以來(lái)的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)致使本區(qū)地殼表現(xiàn)為斷續(xù)隆升。第四紀(jì)以來(lái)，本區(qū)地殼相對(duì)穩(wěn)定，以斷塊垂直差異升降運(yùn)動(dòng)為主。晚更新世期間，地殼有兩次升降運(yùn)動(dòng)，發(fā)生過(guò)兩次海進(jìn)。在廈門(mén)地區(qū)主要發(fā)育有北東、北北東斷裂和北西向斷裂(如圖1)。

圖1 廈門(mén)島內(nèi)斷裂帶和球狀風(fēng)化體分布

綜上所述，本區(qū)域球狀風(fēng)化體形成過(guò)程為：褶皺構(gòu)造→巖漿侵入→節(jié)理形成→斷塊差異升降→構(gòu)造裂隙帶發(fā)育→水的蝕侵→球狀風(fēng)化體。

3 球狀風(fēng)化體形成因素及平面分布特點(diǎn)

3.1 區(qū)域構(gòu)造的影響

因熱脹冷縮效應(yīng)，花崗巖易產(chǎn)生三組相互正交的節(jié)理。三組節(jié)理將巖體切割成大小不等的立方體、長(zhǎng)方體、菱形體或不規(guī)則塊體[7]。后期，因斷塊差異升降擠壓，在局部高傾角裂隙發(fā)育密集區(qū)形成擠壓裂隙帶，增加了塊體的表面積，同時(shí)也成為地下水的滲流通道，促進(jìn)了巖塊的物理和化學(xué)風(fēng)化。花崗巖塊體中，棱角處呈三面風(fēng)化趨勢(shì)，風(fēng)化作用最集中；邊角呈兩面風(fēng)化趨勢(shì)，風(fēng)化作用相對(duì)集中。隨著風(fēng)化的發(fā)展，巖塊的棱角和邊角逐步被圓化，巖塊逐漸變小，小體積塊體被風(fēng)化成“土狀”產(chǎn)物，最終形成風(fēng)化槽，其中，體積大、無(wú)裂隙的塊體最終形成球狀風(fēng)化體。

由圖1可知，筼筜湖與仙岳山之間的殘積臺(tái)地球狀風(fēng)化體最為發(fā)育，主要表現(xiàn)為深厚的土狀風(fēng)化層，發(fā)育有串珠狀球狀風(fēng)化體(如圖2)，其次為殿前、高崎和鐘宅一帶的球狀風(fēng)化體，主要表現(xiàn)為球狀風(fēng)化體與基巖相伴而生(如圖3)。鉆探揭示：中微風(fēng)化巖面分布平緩的地段球狀風(fēng)化體不甚發(fā)育(如圖4)。另外，鉆探揭示，五緣灣停車場(chǎng)地層微風(fēng)化巖面分布平緩，未發(fā)現(xiàn)球狀風(fēng)化體，說(shuō)明斷裂或擠壓裂隙是花崗巖球狀風(fēng)化體形成的必要條件。根據(jù)廈門(mén)島的斷裂構(gòu)造格局及鉆探資料分析，廈門(mén)島中部筼筜湖斷陷平原邊緣和北部殿前、高崎到鐘宅一帶球狀風(fēng)化體最為發(fā)育。

圖2 3號(hào)線人才中心站地層情況(單位：m)

圖3 2號(hào)線建業(yè)路到湖濱中站區(qū)間地層情況(單位：m)

圖4 2號(hào)線金融中心站到高林站地層情況(單位：m)

3.2 水的作用

無(wú)論是地表水、地下水還是海水，都對(duì)球狀風(fēng)化體的形成有舉足輕重的作用。廈門(mén)屬亞熱帶海洋性氣候，夏、秋兩季多臺(tái)風(fēng)暴雨，降雨量豐富，年平均降水量達(dá)1 183.4 mm。地下水或海水沿?cái)D壓裂隙帶滲流，有利于促進(jìn)塊體的風(fēng)化侵蝕。另外，鉆探揭示，濱海平原區(qū)球狀風(fēng)化體發(fā)育數(shù)量遠(yuǎn)小于殘積臺(tái)地。在表層分布深厚軟土層的地區(qū)，下部花崗巖風(fēng)化層中球狀風(fēng)化體不發(fā)育。其原因?yàn)椋涸跒I海平原區(qū)，受海水漲落潮影響，地下水流動(dòng)變化頻繁，主要通過(guò)溶解、水解、碳酸化和氧化作用等方式進(jìn)行化學(xué)風(fēng)化，大部分體積較小的球狀風(fēng)化體已風(fēng)化成全強(qiáng)風(fēng)化層。圖5、圖6為筼筜湖范圍內(nèi)濱海平原區(qū)的地層剖面，表現(xiàn)為球狀風(fēng)化體不發(fā)育。而殘積臺(tái)地地下水活動(dòng)較弱，擠壓破裂帶只有間斷性的降雨入滲，花崗巖易形成球狀風(fēng)化體并殘留在殘積土和全強(qiáng)風(fēng)化帶中。

圖5 1號(hào)線文灶到湖濱東路區(qū)間地層情況(單位：m)

圖6 3號(hào)線廈門(mén)火車站至湖濱東路站區(qū)間(單位：m)

3.3 礦物成分的影響

花崗巖的抗風(fēng)化能力相差很大，其中石英抗風(fēng)化能力最強(qiáng)，其次是長(zhǎng)石，而云母、角閃石、輝石等抗風(fēng)化能力較弱[8]。云母和長(zhǎng)石類礦物易風(fēng)化形成高嶺石、水云母和蒙脫石等親水性礦物，這類黏土礦物易吸水膨脹，使致密的花崗結(jié)構(gòu)變得松散，加大了花崗巖的透水性。因此，后期的風(fēng)化剝蝕作用也便有機(jī)可乘。另外，深層侵入的花崗巖結(jié)構(gòu)密實(shí)，結(jié)晶顆粒較大，巖體抗風(fēng)化能力強(qiáng)，易形成球狀風(fēng)化體。而淺層的花崗巖石英含量相對(duì)較少，長(zhǎng)石云母含相對(duì)較多，巖體抗風(fēng)化能力弱，不易形成球狀風(fēng)化體。廈門(mén)島內(nèi)的花崗巖主要為燕山晚期第一次侵入和第二次侵入的產(chǎn)物，侵入時(shí)間不同，礦物成分亦有所不同。第二次侵入巖主要分布在小東山至安兜一帶，巖性為次花崗巖和潛二長(zhǎng)花崗巖，石英含量相對(duì)較少，長(zhǎng)石和黑云母含量相對(duì)較多，巖體抗風(fēng)化能力較弱，球狀風(fēng)化體發(fā)育較少(如圖7、圖8)。

圖7 3號(hào)線安兜站到湖里法院站區(qū)間(單位：m)

圖8 3號(hào)線湖里法院到雙十中學(xué)站區(qū)間(單位：m)

在自然界中，球狀風(fēng)化類似于差異風(fēng)化現(xiàn)象，是發(fā)生在相同巖性巖體中的差異性風(fēng)化。球狀風(fēng)化的形成，宏觀上主要受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文條件和氣候的影響，微觀上主要受礦物成分和裂隙控制。總之，花崗巖球狀風(fēng)化體的形成是各因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)上述結(jié)論，結(jié)合對(duì)島內(nèi)地質(zhì)狀況的分析，推測(cè)了島內(nèi)球狀風(fēng)化發(fā)育程度分布：廈門(mén)島中部筼筜湖斷陷平原邊緣和北部高崎到鐘宅一帶球狀風(fēng)化體最為發(fā)育，仙岳山到安兜一帶和東南部球狀風(fēng)化體不發(fā)育，其它地區(qū)零星發(fā)育(如圖9)。

圖9 廈門(mén)島球狀風(fēng)化體發(fā)育程度分區(qū)

4 花崗巖球狀風(fēng)化體分布規(guī)律研究

4.1 風(fēng)化程度

圖10 球狀風(fēng)化體風(fēng)化程度統(tǒng)計(jì)

花崗巖球狀風(fēng)化體風(fēng)化程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖10所示，球狀風(fēng)化體中約2/3為微風(fēng)化花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，內(nèi)部一般無(wú)裂隙，與相同風(fēng)化程度的基巖有相近的礦物成份；余下不到1/3為中風(fēng)化球狀體。其中的長(zhǎng)石成份因局部風(fēng)化變色(由灰白色變?yōu)榛尹S色)，強(qiáng)度相對(duì)較低。碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化物僅占2%。

4.2 分布地層

花崗巖地區(qū)正常的風(fēng)化層序一般為：殘積土-全-強(qiáng)-中-微-未風(fēng)化。但球狀風(fēng)化體的發(fā)育往往改變這種風(fēng)化規(guī)律。如圖11所示，球狀風(fēng)化體在殘積層、全風(fēng)化層、散體狀強(qiáng)風(fēng)化層和碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化層均有發(fā)育，但其主要發(fā)育在全風(fēng)化和散體狀強(qiáng)風(fēng)化地層，殘積土次之，碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化層發(fā)育很少，僅占8%。

圖11 球狀風(fēng)化體分布地層統(tǒng)計(jì)

4.3 層頂埋深

球狀風(fēng)化體層頂?shù)姆植嘉恢弥苯佑绊懡ㄖ锏牟贾煤褪┕すに?。從圖12可以看出，球狀風(fēng)化體層頂埋深總體呈正態(tài)分布，在10～20 m內(nèi)出現(xiàn)的頻率最高，接近50%。在該深度范圍內(nèi)，主要影響樁基施工和盾構(gòu)機(jī)安全掘進(jìn)。從圖13可以看出，厚度大于5.0 m的球狀風(fēng)化體頂層埋深較淺，一般在地表下25.0 m以內(nèi)，且數(shù)量發(fā)育較少。

圖12 球狀風(fēng)化體層頂埋深統(tǒng)計(jì)

圖13 風(fēng)化球大小隨埋深變化的散點(diǎn)分布

4.4 層頂高程

由圖14可以發(fā)現(xiàn)，球狀風(fēng)化體層頂高程總體呈正態(tài)分布，主要分布在-30～0 m區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)頻率接近80%。此高程段以外出現(xiàn)的頻率較低。另外，鉆探揭示的厚度主要集中在0.1～5.0 m，約占全部的97%，厚度大于5.0 m的球狀風(fēng)化體僅占約3%，且頂層高程集中在-10～10 m之間(如圖15、圖16)。從基坑開(kāi)挖揭露的情況來(lái)看，球狀風(fēng)化體往往水平軸的長(zhǎng)度大于豎直厚度，呈橢球狀。

圖14 球狀風(fēng)化體層頂高程統(tǒng)計(jì)

圖15 球狀風(fēng)化體揭示厚度統(tǒng)計(jì)

圖16 球狀風(fēng)化體揭示厚度統(tǒng)計(jì)

5 花崗巖球狀風(fēng)化體的工程地質(zhì)問(wèn)題及對(duì)策

5.1 明挖法施工

因球狀風(fēng)化體的存在，明挖法施工易造成鉆進(jìn)速度慢、偏孔、卡鉆、鉆頭損耗大、圍護(hù)樁或墻體傾斜，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏、坑外側(cè)水土流失、支撐受力不均等，降低了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。尤其是在傾向坑內(nèi)的結(jié)構(gòu)界內(nèi)，施作結(jié)構(gòu)防水時(shí)需對(duì)傾入結(jié)構(gòu)內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破除，嚴(yán)重影響基坑安全。施工時(shí)，可預(yù)先采用沖孔、地面鉆孔爆破[9]等方式對(duì)球狀風(fēng)化體進(jìn)行預(yù)處理。在成孔或成槽過(guò)程中，應(yīng)定時(shí)檢測(cè)其垂直度；對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁間或地連墻接頭出現(xiàn)的滲漏進(jìn)行補(bǔ)漏處理，并在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)注漿或施作旋噴樁。在廈門(mén)地鐵3號(hào)線湖濱東路站的地下連續(xù)墻施工中，采用了沖孔破巖方式處理球狀風(fēng)化體，經(jīng)開(kāi)挖核實(shí)，墻體質(zhì)量滿足要求；人才中心站和華榮路站局部樁間滲水較大，采用注漿止水后，效果較好。

5.2 淺基礎(chǔ)差異沉降

若基坑底部存在球狀風(fēng)化體，易導(dǎo)致地基軟硬不均。若采用淺基礎(chǔ)，易形成差異沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)底板開(kāi)裂滲水，給地鐵運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不良影響。若球狀風(fēng)化體部分侵入基底，應(yīng)破除球狀風(fēng)化體，使其低于基底一定深度，再分層回填夯實(shí)，避免基底軟硬不均造成的不均勻沉降。在廈門(mén)地鐵3號(hào)線華榮路站，采用了碎石土回填措施，目前主體結(jié)構(gòu)已完成，未出現(xiàn)差異沉降現(xiàn)象，基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

5.3 礦山法隧道圍巖變形

如采用礦山法進(jìn)行隧道施工，球狀風(fēng)化體形成的堅(jiān)硬巖核與較弱土層混雜，嚴(yán)重加劇了工程巖土體的不均勻性，導(dǎo)致圍巖級(jí)別較低，地下水運(yùn)移條件復(fù)雜，易誘發(fā)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形甚至塌方冒頂事故。通常情況下，地鐵隧道埋深淺且地下水較發(fā)育，洞身圍巖開(kāi)挖后易受圍巖不均勻影響，導(dǎo)致圍巖變形不均勻和地下水滲透通道分布不均勻，工作面上部的球狀風(fēng)化體向洞室內(nèi)位移，引起初期支護(hù)局部應(yīng)力集中，隨之出現(xiàn)地表下沉、初期支護(hù)大變形等工程問(wèn)題[10]。因此，若遇球狀風(fēng)化體，應(yīng)對(duì)風(fēng)化層進(jìn)行注漿加固，再對(duì)其進(jìn)行爆破。在加固的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)球狀風(fēng)化體的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取有效的支承措施。爆破過(guò)程中，對(duì)用藥量、爆破振動(dòng)等進(jìn)行控制，處理完畢后應(yīng)及時(shí)施作初支結(jié)構(gòu)，及時(shí)封閉成環(huán)。在深圳市軌道交通10號(hào)線南坑站至光雅園站區(qū)間的礦山法開(kāi)挖施工中，采用上述處理方法，保證了隧道施工的順利進(jìn)行[11]。

5.4 盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)困難

在盾構(gòu)法施工過(guò)程中，如果周圍地層與球狀風(fēng)化巖體強(qiáng)度差異大，將導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢，若盾構(gòu)機(jī)強(qiáng)行掘進(jìn)，往往會(huì)加大地層擾動(dòng)，加大地表沉降[12]，對(duì)隧道影響范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物極其不利。另外，盾構(gòu)機(jī)在球狀風(fēng)化體發(fā)育的地層中進(jìn)行掘進(jìn)，易造成刀具和刀盤(pán)的嚴(yán)重磨損，甚至因盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)受力不均，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)波動(dòng)較大。因此，在盾構(gòu)法隧道掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)隧道范圍內(nèi)的球狀風(fēng)化體進(jìn)行預(yù)處理，采取諸如地面鉆孔微差爆破、沖孔或沖擊法等方法進(jìn)行提前破除[13]。不具備地表處理?xiàng)l件時(shí)，可采取洞內(nèi)進(jìn)艙爆破、巖石分裂機(jī)破除等方式進(jìn)行處理。在廈門(mén)地區(qū)，采用盾構(gòu)法施工的隧道均進(jìn)行了地表鉆孔爆破處理，總體來(lái)說(shuō)效果較好，但勘察未發(fā)現(xiàn)的球狀風(fēng)化體對(duì)掘進(jìn)的影響依然很大。

5.5 端承樁持力層選擇

選擇基巖作為端承樁的持力層時(shí)，若樁端落在花崗巖球狀風(fēng)化體上，因承受較大荷載，球狀風(fēng)化體可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和不均勻沉降變形，導(dǎo)致樁基承載力降低。尤其是一柱一樁的結(jié)構(gòu)形式，可能造成極大的工程隱患或釀成不良后果。在進(jìn)行以基巖為樁端持力層的樁基施工時(shí)，應(yīng)對(duì)勘察揭示的球狀風(fēng)化體分布特征進(jìn)行分析[14]，必要時(shí)應(yīng)對(duì)球狀風(fēng)化體發(fā)育區(qū)的樁基進(jìn)行施工勘察，進(jìn)一步查明球狀風(fēng)化體的分布范圍，確保樁端嵌入基巖中。

6 結(jié)論及建議

(1)花崗巖球狀風(fēng)化體形成的主要因素為地質(zhì)構(gòu)造、水和礦物成分，是各因素綜合作用的結(jié)果；受構(gòu)造格局的影響，廈門(mén)島中部筼筜湖斷陷平原邊緣和北部殿前、高崎到鐘宅一帶球狀風(fēng)化體最為發(fā)育，仙岳山到安兜一帶和東南部球狀風(fēng)化體不發(fā)育，其它地區(qū)零星發(fā)育。

(2)廈門(mén)島內(nèi)約2/3的花崗巖球狀風(fēng)化體的風(fēng)化程度為微風(fēng)化，中風(fēng)化花崗巖約占1/3；主要發(fā)育于全風(fēng)化和散體狀強(qiáng)風(fēng)化帶中。厚度主要為0.1～5.0 m，約占97%，大于5.0 m僅為約3%。

(3)廈門(mén)島內(nèi)的球狀風(fēng)化體層頂埋深集中在10～20 m內(nèi)，接近50%，厚度大于5.0 m的球狀風(fēng)化體頂層埋深較淺，埋深約小于25.0 m，且數(shù)量較少。層頂高程-30～0 m內(nèi)的出現(xiàn)頻率接近80%。厚度大于5.0 m的球狀風(fēng)化體頂層高程集中在-10～10 m之間。

(4)球狀風(fēng)化體的存在大大增加了工程建設(shè)的難度。主要表現(xiàn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工困難，質(zhì)量不易控制，易產(chǎn)生基坑安全風(fēng)險(xiǎn)；以及基礎(chǔ)差異沉降、結(jié)構(gòu)底板開(kāi)裂滲水等；對(duì)于礦山法施工，易產(chǎn)生支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和塌方冒頂事故；盾構(gòu)法施工時(shí)易導(dǎo)致掘進(jìn)困難、地表變形大且刀盤(pán)和刀具磨損嚴(yán)重；若端承樁落在球狀風(fēng)化體上，將導(dǎo)致其承載力降低。

建議在花崗巖球狀風(fēng)化體發(fā)育區(qū)采用綜合勘探方法，采用兩種或兩種以上的物探方法進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)鉆探驗(yàn)證，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)技術(shù)方法，提高花崗巖球狀風(fēng)化體探測(cè)的準(zhǔn)確率[15]。