閩南某鐵路工程花崗巖孤石判別方法

孫 超

中鐵武漢勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430000

新建福建港尾鐵路全長50.53km，沿線分布大中橋梁20余座，地質(zhì)條件較復(fù)雜，部分地段花崗巖風(fēng)化帶中存在差異風(fēng)化后殘留的孤石，孤石的存在會造成風(fēng)化程度等級的突變。在橋梁工程勘察過程中，勘察技術(shù)人員容易將花崗巖孤石誤認(rèn)為弱風(fēng)化基巖，若以此進(jìn)行樁基設(shè)計，以孤石作為樁基持力層，將給工程造成危害。因此，在花崗巖球狀風(fēng)化發(fā)育地區(qū)，研究孤石形成的機(jī)理、分布規(guī)律和工程特性，對于橋梁工程勘察、設(shè)計和施工來說十分必要。

1 地質(zhì)概況

漳州港尾鐵路穿越我國福建省東南沿海低山丘陵區(qū)、臺地區(qū)、龍海海積平原區(qū)和濱海漫灘區(qū)，沿線上覆土層較厚，覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、海陸交互積層（Q4al＋m）、沖洪積層（Q4al＋pl）、坡殘積層（Q4dl＋el）；下伏地層主要為侏羅系上統(tǒng)南園組（J3n）凝灰熔巖、燕山早期侵入的花崗巖（γ52（3））。漳州港尾鐵路擬建橋梁工程地段上部覆蓋層往往較厚，因此擬建橋梁工程大多采用樁基礎(chǔ)。

2 球狀風(fēng)化形成機(jī)理

花崗巖類巖石中，水、氣體、微生物等沿著花崗巖節(jié)理裂隙侵入，從多個方向的裂隙切割巖體，導(dǎo)致花崗巖巖體由表及里、層層風(fēng)化剝離開來，在風(fēng)化裂隙交匯處，風(fēng)化作用強(qiáng)度和深度也相對較大，促使巖體內(nèi)未受風(fēng)化的花崗巖成球形，形成花崗巖球狀風(fēng)化。球狀風(fēng)化體的風(fēng)化程度與周圍巖土體風(fēng)化程度嚴(yán)重不同，而以孤立圓形或孤立塊狀體的形式存在，被稱為孤石。

3 勘察方法

為了闡明漳州港尾鐵路沿線花崗巖球狀風(fēng)化的發(fā)育情況，相關(guān)人員在收集區(qū)域地質(zhì)資料和附近工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對性地采取了多種勘察方法。

3.1 地質(zhì)調(diào)繪方法

針對鐵路線路兩側(cè)各300m的范圍開展現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪工作。對出露花崗巖孤石的風(fēng)化程度、大小、位置等特征進(jìn)行記錄和綜合匯總分析。調(diào)查發(fā)現(xiàn)沿線低山丘陵區(qū)發(fā)育有花崗巖孤石，多與母巖脫離，分布于斜坡坡面上。該項目花崗巖孤石分布特征如下：測區(qū)花崗巖孤石在地表的分布，主要有單個零星花崗巖孤石和花崗巖孤石群兩種形式；測區(qū)地表孤石粒徑大多為0.5～4m，個別達(dá)6～8m；在線路分布上表現(xiàn)為離散性大，空間賦存特征不規(guī)則。

3.2 物探方法

電阻率法和地震勘探法是花崗巖孤石探測的有效方法，能夠判別花崗巖孤石賦存的地質(zhì)環(huán)境，以及相應(yīng)地層的物理性質(zhì)。在花崗巖地區(qū)，不同地層的電阻率、彈性波速度差異明顯，地表覆蓋層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、弱風(fēng)化巖層的電阻率和彈性波速度從小到大變化，具有較明顯的差異，在工程實際中較易區(qū)分。物探能在宏觀層面上對花崗巖的風(fēng)化界面進(jìn)行揭示，彌補(bǔ)了鉆探只能豎向揭示球狀風(fēng)化體的發(fā)育狀況，不能揭示孤石橫向空間發(fā)育狀況的缺點。漳州港尾鐵路在部分代表性地段進(jìn)行了物探工作。在孤石淺埋地段，部分區(qū)域在反射時間剖面圖和地震映像時間剖面圖上表現(xiàn)出波組錯斷或缺失現(xiàn)象，判斷可能存在孤石，埋藏較深的孤石，物探資料反映均不明顯，未能揭示。物探成果的判斷受人為因素影響較大，判定是否為孤石，需采用地質(zhì)鉆探的方法加以驗證確認(rèn)，物探只能提供宏觀的參考。

3.3 地質(zhì)鉆探方法

針對漳州港尾鐵路橋梁樁基工程的地質(zhì)勘察，主要工作是判斷鉆探揭示的巖石到底是孤石還是弱風(fēng)化完整基巖。根據(jù)勘察實踐，鉆探過程中主要的判別方法和控制手段有巖石頂板標(biāo)高類比法、基巖風(fēng)化層類比法、巖石風(fēng)化狀態(tài)類比法。

（1）巖石頂板標(biāo)高類比法。該方法是利用相鄰地質(zhì)鉆孔揭示的基巖頂板高程，判別是否為孤石?；◢弾r孤石的頂面標(biāo)高一般明顯高于周圍鉆孔基巖面。漳州港尾鐵路工程港尾大橋11#墩設(shè)計以弱風(fēng)化花崗巖作樁基礎(chǔ)持力層，PDZ-GWDQ-07鉆孔在標(biāo)高-6.09m即進(jìn)入堅硬巖層，鄰近兩孔完整弱風(fēng)化花崗巖基巖面分別為-21.49m和-20.27m。從港尾大橋橋址縱斷面圖（見圖1）可以看出，該鉆孔巖面明顯比周圍鉆孔高，判定PDZ-GWDQ-07鉆孔在標(biāo)高-6.09m處遇到孤石的可能性較大，即要求鉆機(jī)組加深鉆孔，查明是否為孤石。

圖1 港尾大橋橋址縱斷面示意圖（單位：m）

（2）基巖風(fēng)化層類比法。該方法是按照花崗巖風(fēng)化規(guī)律進(jìn)行判斷，利用花崗巖地區(qū)自上而下可分為坡殘積層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層、微風(fēng)化層、未風(fēng)化層的規(guī)律，判別是否為花崗巖孤石。孤石大多分布于花崗巖全風(fēng)化地層中，少部分分布于花崗巖強(qiáng)風(fēng)化地層中。孤石頂面一般都缺失強(qiáng)風(fēng)化巖層或強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度極薄。

（3）巖石風(fēng)化狀態(tài)類比法?；◢弾r孤石以微風(fēng)化巖為主，地質(zhì)鉆探取芯時巖芯完整，節(jié)理不發(fā)育，少數(shù)為弱風(fēng)化巖石。

在地質(zhì)調(diào)繪確認(rèn)的孤石可能分布的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)鉆探工作時，應(yīng)嚴(yán)格按工程進(jìn)度及時繪制地質(zhì)縱斷面圖，掌握地質(zhì)鉆孔基巖面起伏變化情況。對鉆孔揭示巖面標(biāo)高明顯高于鄰近鉆孔的地段，以及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層和鄰近鉆孔對比，出現(xiàn)明顯缺失或極薄的地段，地質(zhì)鉆孔深度應(yīng)適當(dāng)加深。例如，對港尾大橋PDZ-GWDQ-07鉆孔判定可能為孤石后，即要求鉆機(jī)組加深鉆孔，鉆穿厚達(dá)11.5m的弱風(fēng)化孤石，直至鉆至橋梁樁基樁底以下8m處。部分鐵路橋梁墩臺較大，采用群樁基礎(chǔ)，相鄰鉆孔基巖面起伏較大時，對同一墩臺及時加密鉆孔，確定是孤石還是完整基巖，查清基巖面起伏變化的地質(zhì)情況。另外，存在鉆探中未揭露到孤石，而在橋墩群樁基礎(chǔ)的施工過程中，出現(xiàn)個別樁提前進(jìn)入完整基巖或可能遇到孤石的情況。當(dāng)?shù)刭|(zhì)變化差異較大時，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充鉆探或進(jìn)行超前鉆孔。

3.4 綜合勘察方法

（1）利用地質(zhì)調(diào)繪方法可以對花崗巖孤石可能發(fā)育的區(qū)域進(jìn)行初步判斷，對下一步物探工作和鉆探工作的范圍具有指導(dǎo)作用。地面花崗巖孤石出露的地段，地下孤石往往較發(fā)育，即應(yīng)該在地表孤石發(fā)育的地段重點進(jìn)行物探和鉆探工作。

（2）利用物探方法可以在宏觀層面上揭示花崗巖的風(fēng)化界面，為下一步地質(zhì)鉆孔的深度提供參考資料，與地質(zhì)鉆探資料進(jìn)行相互對比驗證。

（3）利用地質(zhì)鉆探方法可以對單個橋墩地下孤石的發(fā)育情況、地質(zhì)特征從豎向剖面上進(jìn)行詳細(xì)的揭示，為橋梁工程樁基施工提供比較準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察資料，但對花崗巖孤石在橫、縱斷面上的特征無法進(jìn)行準(zhǔn)確的揭示?；◢弾r孤石在地下發(fā)育各異，若僅靠少量鉆孔，在宏觀層面上，鉆探成果不能完全揭示孤石的特征。

根據(jù)以上3種方法在該項目中的實際應(yīng)用可知，只有綜合運(yùn)用好這3種方法，才能全面、詳細(xì)地揭示花崗巖孤石在該區(qū)域的發(fā)育特征。因此，對花崗巖孤石發(fā)育地區(qū)的地質(zhì)勘察可采取綜合勘察的方法。首先，對花崗巖孤石發(fā)育地段進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)繪，并按照花崗巖孤石發(fā)育和不發(fā)育兩種類型，對花崗巖地區(qū)進(jìn)行分區(qū)處理。其次，對地表花崗巖孤石發(fā)育的區(qū)域采用電阻率法和地震勘探法，從宏觀上大致判斷出該區(qū)域花崗巖風(fēng)化界面的大致深度，為地質(zhì)鉆探深度提供參考資料。最后，根據(jù)物探法的宏觀指導(dǎo)性深度，開展針對性的地質(zhì)鉆探工作，揭示花崗巖孤石的發(fā)育情況、地質(zhì)特征等，為橋梁樁基工程提供詳細(xì)的地質(zhì)資料。

4 結(jié)束語

孤石是閩南花崗巖地區(qū)的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，在遇到孤石發(fā)育的場地，對其進(jìn)行地質(zhì)勘察時，應(yīng)結(jié)合多種勘察方法，系統(tǒng)地了解花崗巖孤石的分布狀態(tài)，分析孤石對工程的危害程度，提醒設(shè)計單位采取有效的工程措施對孤石進(jìn)行處理，降低孤石對工程建設(shè)造成的不良影響。