厦门岛花岗岩球状风化体分布规律统计分析

许贵华 林树枝,2

(1.厦门大学建筑与土木工程学院 福建厦门 361005； 2.厦门市建设局 福建厦门 361003)

0 引言

厦门岛处于“闽东燕山断坳带”东侧与闽东沿海变质带相接部位的中部，受地质变化影响，花岗岩广泛分布。在多组节理作用下，花岗岩被分割成棱角块状，经过长期物理风化和化学风化作用后，逐渐变为球状岩块，即花岗岩球状风化体[1]。花岗岩球状风化体，俗称“孤石”，是花岗岩地区非常突出的不良地质现象[2]。

由于孤石分布具有随机、大小不一、强度大难以处理等特点，地铁施工过程中孤石极易对施工造成影响，尤其在采用盾构法施工时，对工程建设进度、质量和安全产生重大影响，主要影响包括：

(1)岩体强度大对盾构刀具、刀盘损坏严重，频繁卡盘，掘进困难。

(2)由于孤石与周边岩体强度差异大，掘进过程中，若孤石位于盾构机的边缘，可能会挤压盾构机，盾构机姿态难以调整，严重情况下将致使掘进偏离线路。

(3)位于不良地层时，特别是在隧道地质条件较差或孤石上方存在建筑物、道路及密集管线时，进仓换刀困难，且盾构机在孤石地层中掘进时扰动大，易引起地面沉降[3]。

因此，提前进行勘探发现隧道施工过程中可能遇到的孤石，进行预处理至关重要。

孤石的空间分布具有较大的随机性，很难对孤石的分布进行准确预测，但是在特定条件下的区域内，孤石分布具有一定的规律性[4]。通过对已有孤石数据的统计分析，总结孤石分布特性，对孤石特性的进一步研究，能够辅助钻探和物探，提升勘探的精确性。

1 孤石数据收集

目前，孤石的勘探方法主要包括物探和钻探。近年来，随着技术的提升，物探技术虽然有了长足的发展，但由于地质情况的复杂性以及周边环境的影响，还不能完全保证物探的准确性。钻探能够直观有效地揭露孤石的垂直剖面上的分布情况，为保证样本数据真实可靠，本次孤石样本均来自钻探所揭露的孤石。

地铁工程跨度大，覆盖区域广，本次收集厦门市轨道交通1号线一期工程和厦门市轨道交通2号线一期工程的勘察报告，包含47个工点，涵盖了厦门岛的主要区域，从而保证统计结果具有代表性。

2 孤石分布特性

孤石的分布位置、风化程度、分布层位、大小等性质直接决定孤石对工程的影响。本文对勘察报告中所揭露的394个孤石样本的风化程度、分布层位、中心高程、厚度及竖向发育个数等指标进行统计分析。

2.1 孤石发育率

目前尚无规范对孤石发育程度统一的分级，本文根据文献[5]提出的钻孔遇孤石率这个指标来评估孤石发育程度。根据该指标孤石发育程度划分为4个等级，分别为弱发育、中等发育、强发育、极强发育，如表1所示。

表1 孤石发育程度划分表

对各区间钻孔遇孤石比例统计分析，如表2所示。

(1)共有钻孔1695个，其中揭露孤石钻孔252个，平均钻孔遇残余体率为14.9%，其中蔡塘站至古地石站钻孔遇孤石率高达40.5%，可见孤石问题在厦门地区十分突出。

(2)各个车站区间钻孔遇孤石率各不相同，其中蔡塘站至古地石站钻孔遇残余体比例达40.5%，而文灶站～湖滨东路站未发现孤石，体现了孤石空间的分布不均匀性。

表2 各车站区间钻孔遇孤石率统计表

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～中山路站区间两个工点，余同。

2.2 孤石竖向分布个数

对单孔揭露孤石个数统计分析如表3所示。表3显示，共有252个钻孔揭露存在孤石，共发现394个孤石，存在单孔揭露多个孤石的情况，单孔最多揭露5个孤石，但大多数为单孔揭露单个孤石，占比为64.7%，随着单孔揭露孤石数量的增加而减少。可见，孤石竖向分布主要以单个零星分布，也存在多个集群分布情况。

表3 单孔揭露孤石个数统计表

2.3 孤石表现形式

根据《工程岩体分级标准》(GBT50218-2014)，按岩石的风化程度分为：未风化、微风化、中风化、强风化、全风化。花岗岩地区通常情况下风化层序从上到下分别为残积土、全风化、强风化、中风化、微风化和未风化，由于孤石的存在，往往会改变这样的分布规律[6]。通过对孤石样本的风化程度统计和分布层位统计分析如表4所示。

表4 孤石风化程度与分布层位统计表

(1)孤石风化程度以微风化和中风化为主，其中微风化花岗岩强度大、岩质坚硬、岩体完整，仅有少量风化裂隙，共有183个，所占比例为46%；中风化花岗岩结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，共有197个，所占比例为50%；其余为强风化和全风化，强度低，结构基本被破坏或完全被破坏，共有14个，所占比例为4%。

(2)孤石在残积土层、全风化层、强风化层及中风化层中皆有分布，主要分布在强风化层和全风化层中。其中，分布在强风化层的孤石共217个，所占比例为55%；分布在全风化层的孤石共116个，所占比例为29%；分布在残积层的孤石共58个，所占比例为15%；极个别分布在中风化层中。

(3)孤石的主要表现形式为：强风化层中含有中风化和微风化的孤石，其次是全风化层中含有中风化和微风化的孤石。中风化和微风化孤石岩质坚硬、强度大，相对于周围地层强度差异大，开挖面力学性质不均匀，使施工难度大大增加。尤其在盾构掘进过程中遇到此类孤石，可能会导致盾构机偏离路线，引起沉降，甚至是开挖面崩塌。需引起足够重视，做好超前勘察工作，根据孤石的岩性与分布地层，选用合适有效的方法处理孤石，以减少孤石带来的危害。

2.4 孤石中心高程

对孤石样本的中心高程统计分析如图1所示，并可得到及以下结论：

(1)本次统计的394个孤石样本，在-45m～35m范围内皆有分布，体现了孤石空间分布的随机性和不均匀性。

(2)孤石中心高程近似服从正态分布，孤石中心高程主要在-35m～15m区间内，占比达95%，其中在-15m～-5m区间内分布最多占32%，其次-5m～5m区间占26%，-25m～-15m区间占17%，5m～15m区间占11%，-35m～-25m区间占9%。

(3)孤石中心高程在较高处或较低处出现频率较低，-45m～-35m区间占1%，15m～35m区间占4%。

图1 孤石中心高程统计直方图

2.5 孤石厚度

在长期风化作用下，孤石多呈椭球状，在当前的勘察技术下，较难全面立体地反映孤石形态，但以钻孔所揭露的竖向厚度进行分析，仍然能够从整体上反映孤石的大小变化特性。通过对孤石样本的厚度统计分析如图2所示，结论如下：

图2 孤石厚度统计直方图

(1)孤石厚度在0～12m范围内皆有发现，其中最小厚度为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区间内的数量最多，占比为62%，2m～4m区间占28%。

(3)随着厚度增大，出现的概率减小，孤石厚度在4m～6m区间占6%，大于6m占4%。

3 结论

通过对孤石样本的统计分析，可以看出厦门地区孤石广泛分布，存在集群分布的现象，主要表现形式为中风化和微风化的孤石，分布在强风化层与全风化层中。孤石中心高程近似服从正态分布，主要分布在高程-35m～15m区间内，孤石厚度主要集中在0～4m范围内。

钻探可以直观地揭露孤石的存在，但存在局限性，只能揭露钻孔处的地质情况。由于孤石分布离散，传统的钻探难以全面精确地反映孤石的真实分布情况。相对传统的钻探方法，物探能够更加全面立体地反映孤石分布情况，但由于地质情况的复杂性以及周边的干扰，目前尚不能完全保证物探结果的准确性。物探和钻探都有其优点，单独采用一种方法往往具有局限性，不能够准确地反映地质情况，因此可采用前期孤石特性分析结果与物探、钻探相结合的综合勘探方法。

(1)对已有的孤石数据进行深度分析，包括孤石的风化程度、分布层位、大小、形状以及分布特征等性质，并根据孤石的发育情况对孤石的分布区域进行划分，对可能发育区域进行预判，从而有针对性地指导物探和钻探工作，分析结果能够对钻探和物探结果起到辅助分析的作用。

(2)物探方法多种多样，不同的方法适用条件各不相同，针对孤石发育地段场地特点，选取合适的物探方法进行勘探，从宏观上掌握孤石的空间分布情况。

(3)在物探的基础上，有针对性地进行钻孔勘探，揭露局部上孤石的分布情况，并对物探结果进行验证[7]。

因此，进一步开展孤石研究，完善勘探方法，提高勘探的精确性，可为设计施工提供准确详实的依据，以针对孤石做到早发现早处理，减少孤石所带来的隐患。

[1] 田文彪. 谈花岗岩地区的孤石成因[J]. 山西建筑,2015,41(25):76-77.

[2] 王浩,刘成禹,陈志波. 闽东南花岗岩球状风化不良地质发育特征及其工程地质问题[J]. 工程地质学报,2011,19(4):564-569.

[3] 刘建国. 深圳地铁盾构隧道施工技术研究与实践[M].北京：人民交通出版社,2011.

[4] 梁奎生. 台山核电海底泥水盾构隧洞基岩及风化孤石地层深孔爆破技术研究与应用[D].长沙：中南大学,2012.

[5] 苏绍峰.揭惠高速公路花岗岩孤石分布特征及发育程度评估研究[J].广东公路勘察设计, 2015 (8):28-30.

[6] 曹权,项伟,王凤华,等. 深圳地区花岗岩球状风化体地下分布规律统计分析[J]. 水文地质工程地质,2013,40(5):87-90,96.

[7] 李国祥,杜坤乾,杨勇,等. 花岗岩风化地层中“孤石含量百分比”的确定方法[J]. 地质与勘探,2012,48(3):629-636.