福建岩土工程勘察研究院有限公司 福建福州 350001
摘要：球状风化（又称 “孤石”）对地铁盾构工程施工极为不利。本文结合工程实例，论述了地铁工程开展球状风化专题勘察的必要性，并以福州市地铁工程为例，通过分析球状风化对地铁工程不同工法的影响，合理地推荐了球状风化专题勘察的实施范围；通过对不同类型勘察方案进行多因素综合比较，推荐了较为有效的勘察方案，并就专题勘察的实施提出了若干建议，为类似工程提供参考和借鉴。
关键词：球状风化；孤石；地铁工程；勘察
The Characteristics and Influence to Subway Construction of Weathered Granite in Fuzhou Area
YangShaoyuan
Abstract：Spheroidal weathering which is generally called lone-stone stunts shield construction badly. This paper expounds the necessity of special investigation of spheroidal weathering. The paper firstly sets a subway in Fuzhou as an instance and analyses spheroidal weathering' s disparate impact on different construction methods，and introduces manners to dispose spheroidal weathering，then recommends the rational region of special investigation. By means of comparing advantages and disadvantages of several programmes of spheroidal weathering from multi-factors，the paper recommends the most advisable one. Finally，the paper gives some advice on putting the programme into practice. All opinions in this paper serve as bricks cast to attract jade.
Key words：spheroidal weathering；lone-stone；shield；investigation
1 引言
花岗岩在物理风化与化学风化共同作用形成了花岗岩球状风化物又称“孤石”，化学风化为主，物理风化为辅。形成孤石有内外两种因素，岩性是控制风化的内因，节理、气候、地形条件等是控制风化的外因，其中花岗岩的原生节理是形成孤石的重要外因，且孤石的显微结构特征与同等风化程度的风化层岩基本相同。《地貌学原理》［1］ 书中认为：花岗岩在三组相互正交的原生节理切割下，形成许多长方形或近似正方形的岩块，由于风化作用将周边棱角磨圆，岩块逐渐球化，最后形成风化球又称孤石。
福建、广州地区最有代表性，随着城市规模不断扩大，地面宜建空间资源的紧张，极大加剧了人们对地质灾害多发区的开发利用，孤石灾害也随之越发突显。花岗岩孤石作为常见的地质灾害，具有分布不确定性、埋藏边界的隐蔽性，与周边土体力学特性的强烈差异性，给工程设计、施工增加难度，造成不必要的经济损失。
2 分布特征
福建省位于欧亚大陆板块东南缘，中生代岩浆频繁活动所形成的燕山期为主的火山岩和以花岗岩类为特色的侵入岩大面积出露是福建省主要的地质特征；其中侵入岩约占全省面积的 1/3，岩类齐全，而其中花岗岩类占绝对优势，达97. 42%，花岗岩球状风化在福建省各地市均有出露，但主要发育带分布在闽东南宁德、福州、泉州、厦门、漳州等地市的沿海一带和龙岩的局部地区，总体沿海岸线呈线状分布［2］。
福州地区花岗岩风化球大小迥异、形态复杂，其竖向直径一般在 1 ～10m 左右。既有风化作用大量出露于丘陵地带地表，也有经山洪爆发等地表搬运作用而集中堆积，还有与风化岩层混杂共生的“石蛋群”。
地铁工程工程所遇孤石情况将孤石分为三类：第一类是裸露地表的孤石（多以丘陵地带为代表，强度较高），第二类是沉积层内的孤石（多出现在靠近风化层的淤泥、粘土地层中、强度高与周边岩性差异大）；第三类具有一定埋深的风化岩层内的球状风化体（中微风化，强度较前两类高）。
3 对地铁工程的影响
地铁车站多位于市区，围护结构多采用地下连续墙或钻（冲）孔桩排桩支护型式。花岗岩风化层中孤石的分布具有随机性，一般不具规律，详细勘察往往很难查清，地铁围护结构施工时，常常造成地下连续墙无法成槽、钻（冲）孔桩出现偏孔、扩孔、卡锤等现象。从而会导致地下连续墙墙底高程连续性差、止水效果不佳、围护结构变形破坏等问题。如车站周围边坡表面存在高位风化孤石，则危害方式类似于危岩体，形成滚石。
盾构机在花岗岩地层中掘进时遇到孤石，会导致盾构机瞬间荷载突增，极易出现刀具偏磨、卡刀、刀圈崩裂等现象，如不能及时处理，孤石将在刀盘前方随刀盘滚动，导致掘进速度缓慢，地层加剧扰动，盾构姿态不易控制，进而引起地面沉降甚至塌陷等不利影响。
4 孤石地区勘察方法
4.1 钻探
钻探对于局部点位的地质情况揭露较为准确，但对于连续区域的地质情况难以全面揭示，具有以点带面的局限性。即相邻的两个钻孔揭露情况可以推测出钻孔之间的地层分布，但不能判断孔间的孤石分布情况。地铁工程详勘钻孔间距多在 20～30m 之间，孤石尺寸较钻孔间距而言要小。因此，通过详勘钻探所揭露到的孤石具有局限性。通过加密钻孔，能提高揭露孤石的机率，降低工程风险。
目前福州轨道交通工程勘察亦有采用加密钻探方法进行孤石勘察。其中，福州地铁一号线施工勘察阶段将揭露孤石分布的区间段，钻孔间距加密至 5m，直至未揭示分布孤石区域。采用以上的加密钻探方式，为设计和施工提供了较为详细的孤石发育特征，极大地降低了盾构工程风险。加密钻探是球状风化专题勘察的基本方法，除了通过钻孔直观地揭露地层、获得孤石的抗压强度等参数，还能利用钻孔进行地球物理勘探，提高勘察成果的可靠性。
4.2 地球物理
在利用钻孔的基础上进行孔间地球物理勘探，则可根据物探剖面间的关系，分析相邻钻孔间的孤石发育情况，突破钻探以点带面的局限性。孤石多为中风化或微风化岩石，孤石周围为粘土或风化土岩层。从地球物理属性分析，孤石与周围介质间存在电阻率、波阻抗和电性差异。基于这些物性差异，理论上可通过地球物理勘探方法查找孤石，但在实践中因受地铁沿线场地限制、城市生活区各种场源干扰，未必能满足物探所要求的条件，因而，各种物探方法在应用中勘察效果存在差异，部分物探方法可能达不到预期效果。
广州地铁建设中针对孤石问题，先后在三号线（机场线）和六号线二期工程多次开展孤石地球物理勘探方法试验和专题研究，选用了多达十余种物探方法。根据物探试验和专题研究结论：基于地铁建设所处的环境位置，瞬变电磁法、地质雷达法、地震映像法等地面物探方法均达不到理想效果；电磁波 CT 探测具有探测效果，但对孤石位置描述存在较大差异；跨孔回声法取得了效果，但要想对孤石平面定位要求的工作量较大，且孤石成群发育时，无法分辨个体；跨孔超高密度电法 CT 和跨孔地震 CT 取得了较好效果，对孤石定位较好，与揭露的孤石位置较为吻合［3］。
福州地铁公司借鉴了广州地铁建设的经验，采用了钻探结合孔间地震波跨孔层析成像（CT）方法，在一号线二期梁厝站的施工过程中，在地下连续墙位置进行连续扫描探测地下孤石的分布情况，为站点的施工进行了精确勘察。梁厝站车站主体及前后明挖区间的地连墙总长度约851m，在地连墙轴线位置间距10-12m钻孔并埋设PVC管，通过相邻钻孔间的地震波跨孔层析成像（CT）扫描，对地连墙位置进行连续探测，查明地下10-33m深度范围内规模大于1m的孤石分布情况。初步设计钻孔总数78个，地震波跨孔层析成像（CT）扫描75对。探测结果发现不同深度与地层内分布有98个大小不一的孤石，成果如下图1。
经现场补勘钻孔取芯验证，CT探测波速达到3400m/s及以上时结果比较准确，显示孤石位置补充钻探孔取芯验证均取出孤石（见图2），但在部分地下连续墙槽段处孤石厚度上存在差异。在全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩地层、粘土层中de的孤石CT探测准确率较高，次方案能够准确指导地下连续墙施工。
但CT探测孤石方法存在一些不足：
（1）对两探孔直线之间孤石探测相对较准确，对部分偏离孤石（该站地下连续墙1m幅宽范围内，0.3m左右宽度孤石嵌入）探测难度较大，且对孤石整体大小探测难度较大。
（2）梁厝站围护结构地下连续墙槽底地质为散体状强风化花岗岩和碎裂状强风化花岗岩。若孤石分布在部分散体状强风化花岗岩（尤其含石英颗粒较多）和碎裂状强风化花岗岩地层中，CT探测波速也较大，孤石探测难度大。
参考文献
［1］ 杨景春，李有利. 地貌学原理［M］. 北京：北京大学出版社，2005.11.
［2］ 福建省地质矿产局． 福建省区域地质志［M］． 北京：地质出版社，1985．
［3］ 王 典． 地铁工程球状风化专题勘察方案研究［J］．广州建筑 2011 年第 2 期
论文作者:杨少渊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/9
标签：花岗岩论文; 钻孔论文; 球状论文; 地铁论文; 工程论文; 物探论文; 福州论文; 《建筑学研究前沿》2018年第8期论文;