深圳地区花岗岩地层岩土工程特性及对地铁工程的影响
2014-07-25张昌新郑太航余志江
张昌新 郑太航 余志江
(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)
深圳地区花岗岩地层岩土工程特性及对地铁工程的影响
张昌新 郑太航 余志江
(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)
通过对深圳地区花岗岩地层岩土工程特性(物理力学性质、崩解性和差异风化)的分析，得到如下结论：花岗岩残积土和全风化岩浸水易软化、崩解，施工过程中宜注意采取防排水措施，并尽量减少对其扰动，避免长时间暴露和泡水。花岗岩地层中差异风化形成孤石、风化深槽和上软下硬地层，会给地铁工程施工带来不利影响，严重时甚至引发工程事故。
花岗岩 岩土工程特性 地铁工程
深圳市位于广东省南部，地处珠江三角洲南端，西临南海，总体地势东南高、西北低。根据区域地质资料，深圳地区花岗岩地层分布广泛，约占区内面积50%以上。随着深圳地铁建设的大规模开展，工程界对花岗岩地层的岩土工程特性有了更深入的认识，以下重点分析和讨论花岗岩地层对地铁工程的影响。
1 花岗岩地层的分布特征
深圳地区花岗岩主要分布于东南部的盐田区和大鹏新区，西部的福田、宝安、南山、龙华新区的局部范围也有分布。东部花岗岩区原始地貌主要为丘陵和台地，基岩埋深总体较薄，局部基岩裸露；西部花岗岩区及滨海地带原始地貌主要为低台地、冲积平原及滨海平原，地形较平缓，残积土及全、强风化带厚度较大，最厚可达90 m。
根据深圳市标准《地基基础勘察设计规范》(SJG 01—2010)，按风化程度，花岗岩地层可分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化及残积土六层；按≥2 mm颗粒含量，又可将花岗岩残积土分为砾质黏性土、砂质黏性土和黏性土三类。
深圳地区以中-粗粒花岗岩为主，其风化形成的残积土主要为砾质黏性土，砂质黏性土次之。根据深圳花岗岩分布区地铁工程残积土分层统计及室内试验统计结果，砾质黏性土约占花岗岩残积土80%左右，砂质黏性土约占15%～20%，黏性土只占不足3%。
2 岩土工程性质
由于花岗岩自身矿物组份的差异和区域地质环境的多样性，花岗岩地层也呈现出不同于一般地层的工程地质特点，主要表现在残积土及风化岩的风化特征和各项物理力学性质等方面。
2.1 物理力学性质
深圳地区花岗岩残积土及全风化岩中粗颗粒含量较多，不同于一般黏性土，其大于0.25 mm的颗粒质量超过总质量的50%，按国标颗粒成分可定名为中砂—砾砂。根据深圳地铁勘察室内试验统计结果，花岗岩残积土天然含水量一般在16.3%～40.0%间，重度16.5～22.2 kN/m3，天然孔隙比0.447～1.543；压缩系数0.3～0.8 MPa-1，压缩模量2.5～6.7 MPa(由于取样及试验室开样过程易扰动，实测压缩系数偏大，压缩模量偏小)；抗剪强度指标兼具黏性土与砂类土特性：直剪快剪内摩擦角13.6°～33.6°，黏聚力15.1～37.7 kPa；渗透系数渗透性微—弱，为0.012～0.282 m/d；主要黏土矿物为高岭石，伊利石次之，自由胀率3%～8%。强风化花岗岩直接快剪内摩擦角18.1°～45.2°，黏聚力7.5～36.4 kPa；中等风化花岗岩的岩石饱和单轴抗压强度一般在30～40 MPa左右；微风化花岗岩的岩石单轴饱和抗压强度一般在55～100 MPa之间，最大可达175 MPa。
2.2 崩解性
花岗岩残积土及全风化岩颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点，即颗粒成分中，粗颗粒(>0.5 mm)组分及颗粒小组分(<0.075 mm)的含量较多，而介于其中的颗粒成分则较少。这种独特的组分特征，为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能的条件。根据表1崩解性试验结果显示，试样在浸水后，短期内迅速软化、崩解，工程性质急剧变差，在卸荷、扰动以及水动力影响下，易产生管涌、流土等渗透变形现象。
表1 崩解性试验成果汇总统计
注：崩解速度=崩解量/崩解时间。
2.3 差异风化
差异风化现象的形成除受岩体自身矿物成分不均匀性和岩体内部节理、裂隙发育情况影响外，还与众多外部因素有关，如气候、地形地貌及水文地质条件等。球状风化(孤石)通常表现为残积土及全强风化岩中夹球状中等、微风化岩；风化深槽(陡坎)主要指基岩面变化突然、起伏巨大，起伏形态各异，极端情况下出现“V”形风化深槽或“A”形陡坎，使地层的均匀性、连续性和稳定性遭到破坏。花岗岩典型球状风化(孤石)和风化深槽(陡坎)现象见图1。
图1 花岗岩地层球状风化(孤石)和风化深槽(陡坎)
3 对地铁工程的影响
3.1 基坑工程
地铁车站多位于繁华市区，围护结构多采用地连墙或钻(冲)孔桩加桩间止水。
花岗岩残积土、全强风化层中风化球的分布具有随机性，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，常常造成钻(冲)孔桩出现偏孔、扩孔、卡锤等现象。风化深槽(陡坎)会导致地连墙墙底高程连续性差、止水效果不佳、围护结构侵限等问题。如深圳地铁工程某车站地层中多处存在风化陡坎和风化深槽，围护结构施工过程中，部分桩施工时扩孔、偏孔严重，时常卡锤；基坑开挖时发现局部侵限及坑壁渗水等问题。
花岗岩残积土及全风化岩具有遇水易迅速软化崩解的特点。因此，花岗岩残积土和全、强风化岩层中开挖基坑前，应首先做好基坑排水措施，将地下水位降至开挖面以下0.5 m，分层分块开挖，并保护好基底土层。
3.2 隧道工程
地铁隧道施工多采用盾构法或矿山法施工，花岗岩地层中发育的孤石及花岗岩的上软下硬地层往往给工程施工带来不利。
(1)矿山法施工隧道
当矿山法施工隧道在松散地层中通过时，为确保施工时洞内干燥和工作面地层自稳，常进行洞内注浆止水，既能满足止水，又能加固地层。当洞身范围内存在上软下硬地层时往往造成注浆效果不佳，无法达到止水的目的，并进而引发事故，在深圳地铁某区间施工时，即发生上述情况。根据勘察资料，此处隧道拱顶围岩为全风化岩，其上部为富水砾砂层，洞身范围为上部全风化、下部中等风化岩，由于超前注浆止水效果不理想，开挖至该段时水量突然增大，携带大量泥沙从拱腰处涌出。
当隧道洞身范围内存在风化深槽时，将造成围岩或工作面地层突变，施工时常造成隧道塌方(如图2所示)。深圳地铁某区间下穿市政快速干道，根据勘察资料，隧道围岩等级为Ⅲ级，矿山法施工时，遇风化深槽，工作面前方围岩突然变差，以全、强风化岩为主，同时地下水量较大。由于预计的围岩较好，未采取相应的超前支护措施，开挖至该段后，出现坍塌，隧道一度出现险情。
图2 未探明的风化深槽导致围岩坍塌
(2)盾构法施工隧道
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，极易出现卡刀、刀圈崩裂、刀具偏磨等现象；如不能及时处理，孤石在刀盘前方随刀盘滚动，导致掘进速度缓慢，盾构姿态不易控制，地层扰动加剧，进而有可能引起地面沉降甚至塌陷。深圳地铁深桃区间、固后区间盾构施工时即遇到上述情况，最终造成地表塌陷事故(如图3所示)。
盾构施工遇到上软下硬地层时，由于隧道下部地层强度高，在磨岩过程中，盾构机头部容易“上漂”，切削刀头与盾身钢壳间拱顶土层不能长时间自稳而塌落，出土过多而形成空洞，进而引起地面沉降或塌陷，出现险情。软硬不均地层同样也会造成刀盘、刀具损耗增大的问题。
对于采用盾构法施工的区间隧道，应在详勘基础上进行施工勘察，进一步查明孤石或上软下硬段的分布，并采取相应的预处理措施。预处理措施可采取破碎和孔内爆破技术，或采用旋喷加固、地表注浆将全断面硬化，确保施工安全。当不可避免需开仓处理孤石或局部硬岩时，应预先做好刀盘前方土体及围岩加固，确保安全后方可进入。多采用膨胀剂、劈裂机或破碎机将孤石或硬岩劈解成小块后取出。
3.3 高架及房建桩基础工程
目前深圳地铁高架段及车辆基地中的房建工程多采用桩基础，以中等、微风化岩作为桩端持力层，孤石的存在可能造成桩基持力层的误判。桩基施工以冲(钻)孔灌注桩为主，孤石发育时极易导致卡锤、偏孔等孔内事故，坚硬的孤石，不仅引起桩锤损耗，而且导致进尺缓慢，严重影响施工进度。风化深槽(陡坎)基岩面一般较陡，冲孔过程中极易发生偏孔、扩孔，同时桩端完整嵌固深度也难以保证。以深圳地铁环中线为例，塘朗车辆段属典型花岗岩孤石分布区，施工图阶段勘察单孔揭露孤石最多达6个，桩基础施工时，冲孔桩机经常偏孔，扩孔，不得已回填石料纠偏，极大影响了施工进度。由于未进行逐桩超前地质钻探，个别工程桩由于孤石引起地层误判，最终导致废桩。因此，对于花岗岩地层，进行超前地质钻探是十分必要的。
3.4 车辆基地边坡工程
深圳土地资源稀缺，车辆段、停车场多位于废弃的采石场，往往需要大面积的场地开挖修整，形成规模较大的人工边坡。
花岗岩残积土和全风化岩形成的土质边坡开挖后，卸荷形成临空面上的土体易沿原生或次生结构面滑动。深圳雨季较长，由于花岗岩残积土和全风化岩浸水后易崩解，边坡开挖后若不及时支护，土体中的原有细粒物质极易被冲走，形成深沟甚至坍塌，危及边坡及周边环境安全。
由花岗岩中等、微风化岩体形成的岩质边坡，其稳定性主要取决于岩体中结构面产状与边坡临空面的关系及外力影响。当节理倾向边坡临空面，倾角与边坡倾角接近时，坡脚卸荷、坡顶加载以及坡体周边其他外力(主要指振动或地下水压力)影响都有可能诱发顺节理面滑坡；因此，花岗岩岩体中结构面的产状对边坡稳定性、支护方式及治理成本影响较大。
4 结论
花岗岩地层的岩土工程特性决定了其对地铁工程设计和施工的特别影响。
花岗岩残积土和全风化岩遇水迅速软化崩解，地铁工程施工应减少对其扰动，并注意采取排水措施，避免长时间暴露和浸水。
花岗岩地层差异风化形成孤石和风化深槽及上软下硬地层给地铁工程施工造成不利影响，严重的甚至引发工程事故。在施工之前，应在详勘的基础上进行施工勘察。对于盾构区间施工勘察应不拘泥于规范，钻孔应尽量在洞身内布置(完成后严格封孔)以期进一步查清孤石和上软下硬地层的分布。在此基础上，采取合适的预处理措施，保证工程施工安全。
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TheCharacteristicsandInfluencetoSubwayConstructionofWeatheredGraniteinShenzhenArea
ZHANG Chang-xin ZHENG Tai-hang YU Zhi-jiang
2014-06-12
张昌新(1965—)，男，1986年毕业于西南交通大学工程地质专业，工学硕士，高级工程师。
1672-7479(2014)05-0026-03
TU451
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