闽南某铁路工程花岗岩孤石判别方法

2021-12-13孙超

工程技术研究 2021年18期

孙超

中铁武汉勘察设计院有限公司，湖北武汉 430000

新建福建港尾铁路全长50.53km，沿线分布大中桥梁20余座，地质条件较复杂，部分地段花岗岩风化带中存在差异风化后残留的孤石，孤石的存在会造成风化程度等级的突变。在桥梁工程勘察过程中，勘察技术人员容易将花岗岩孤石误认为弱风化基岩，若以此进行桩基设计，以孤石作为桩基持力层，将给工程造成危害。因此，在花岗岩球状风化发育地区，研究孤石形成的机理、分布规律和工程特性，对于桥梁工程勘察、设计和施工来说十分必要。

1 地质概况

漳州港尾铁路穿越我国福建省东南沿海低山丘陵区、台地区、龙海海积平原区和滨海漫滩区，沿线上覆土层较厚，覆盖层主要为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、海陆交互积层（Q4al＋m）、冲洪积层（Q4al＋pl）、坡残积层（Q4dl＋el）；下伏地层主要为侏罗系上统南园组（J3n）凝灰熔岩、燕山早期侵入的花岗岩（γ52（3））。漳州港尾铁路拟建桥梁工程地段上部覆盖层往往较厚，因此拟建桥梁工程大多采用桩基础。

2 球状风化形成机理

花岗岩类岩石中，水、气体、微生物等沿着花岗岩节理裂隙侵入，从多个方向的裂隙切割岩体，导致花岗岩岩体由表及里、层层风化剥离开来，在风化裂隙交汇处，风化作用强度和深度也相对较大，促使岩体内未受风化的花岗岩成球形，形成花岗岩球状风化。球状风化体的风化程度与周围岩土体风化程度严重不同，而以孤立圆形或孤立块状体的形式存在，被称为孤石。

3 勘察方法

为了阐明漳州港尾铁路沿线花岗岩球状风化的发育情况，相关人员在收集区域地质资料和附近工程经验的基础上，针对性地采取了多种勘察方法。

3.1 地质调绘方法

针对铁路线路两侧各300m的范围开展现场地质调绘工作。对出露花岗岩孤石的风化程度、大小、位置等特征进行记录和综合汇总分析。调查发现沿线低山丘陵区发育有花岗岩孤石，多与母岩脱离，分布于斜坡坡面上。该项目花岗岩孤石分布特征如下：测区花岗岩孤石在地表的分布，主要有单个零星花岗岩孤石和花岗岩孤石群两种形式；测区地表孤石粒径大多为0.5～4m，个别达6～8m；在线路分布上表现为离散性大，空间赋存特征不规则。

3.2 物探方法

电阻率法和地震勘探法是花岗岩孤石探测的有效方法，能够判别花岗岩孤石赋存的地质环境，以及相应地层的物理性质。在花岗岩地区，不同地层的电阻率、弹性波速度差异明显，地表覆盖层、全风化层、强风化岩层、弱风化岩层的电阻率和弹性波速度从小到大变化，具有较明显的差异，在工程实际中较易区分。物探能在宏观层面上对花岗岩的风化界面进行揭示，弥补了钻探只能竖向揭示球状风化体的发育状况，不能揭示孤石横向空间发育状况的缺点。漳州港尾铁路在部分代表性地段进行了物探工作。在孤石浅埋地段，部分区域在反射时间剖面图和地震映像时间剖面图上表现出波组错断或缺失现象，判断可能存在孤石，埋藏较深的孤石，物探资料反映均不明显，未能揭示。物探成果的判断受人为因素影响较大，判定是否为孤石，需采用地质钻探的方法加以验证确认，物探只能提供宏观的参考。

3.3 地质钻探方法

针对漳州港尾铁路桥梁桩基工程的地质勘察，主要工作是判断钻探揭示的岩石到底是孤石还是弱风化完整基岩。根据勘察实践，钻探过程中主要的判别方法和控制手段有岩石顶板标高类比法、基岩风化层类比法、岩石风化状态类比法。

（1）岩石顶板标高类比法。该方法是利用相邻地质钻孔揭示的基岩顶板高程，判别是否为孤石。花岗岩孤石的顶面标高一般明显高于周围钻孔基岩面。漳州港尾铁路工程港尾大桥11#墩设计以弱风化花岗岩作桩基础持力层，PDZ-GWDQ-07钻孔在标高-6.09m即进入坚硬岩层，邻近两孔完整弱风化花岗岩基岩面分别为-21.49m和-20.27m。从港尾大桥桥址纵断面图（见图1）可以看出，该钻孔岩面明显比周围钻孔高，判定PDZ-GWDQ-07钻孔在标高-6.09m处遇到孤石的可能性较大，即要求钻机组加深钻孔，查明是否为孤石。

图1 港尾大桥桥址纵断面示意图（单位：m）

（2）基岩风化层类比法。该方法是按照花岗岩风化规律进行判断，利用花岗岩地区自上而下可分为坡残积层、全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层、未风化层的规律，判别是否为花岗岩孤石。孤石大多分布于花岗岩全风化地层中，少部分分布于花岗岩强风化地层中。孤石顶面一般都缺失强风化岩层或强风化岩层厚度极薄。

（3）岩石风化状态类比法。花岗岩孤石以微风化岩为主，地质钻探取芯时岩芯完整，节理不发育，少数为弱风化岩石。

在地质调绘确认的孤石可能分布的区域进行地质钻探工作时，应严格按工程进度及时绘制地质纵断面图，掌握地质钻孔基岩面起伏变化情况。对钻孔揭示岩面标高明显高于邻近钻孔的地段，以及强风化花岗岩地层和邻近钻孔对比，出现明显缺失或极薄的地段，地质钻孔深度应适当加深。例如，对港尾大桥PDZ-GWDQ-07钻孔判定可能为孤石后，即要求钻机组加深钻孔，钻穿厚达11.5m的弱风化孤石，直至钻至桥梁桩基桩底以下8m处。部分铁路桥梁墩台较大，采用群桩基础，相邻钻孔基岩面起伏较大时，对同一墩台及时加密钻孔，确定是孤石还是完整基岩，查清基岩面起伏变化的地质情况。另外，存在钻探中未揭露到孤石，而在桥墩群桩基础的施工过程中，出现个别桩提前进入完整基岩或可能遇到孤石的情况。当地质变化差异较大时，应进行补充钻探或进行超前钻孔。

3.4 综合勘察方法

（1）利用地质调绘方法可以对花岗岩孤石可能发育的区域进行初步判断，对下一步物探工作和钻探工作的范围具有指导作用。地面花岗岩孤石出露的地段，地下孤石往往较发育，即应该在地表孤石发育的地段重点进行物探和钻探工作。

（2）利用物探方法可以在宏观层面上揭示花岗岩的风化界面，为下一步地质钻孔的深度提供参考资料，与地质钻探资料进行相互对比验证。

（3）利用地质钻探方法可以对单个桥墩地下孤石的发育情况、地质特征从竖向剖面上进行详细的揭示，为桥梁工程桩基施工提供比较准确的地质勘察资料，但对花岗岩孤石在横、纵断面上的特征无法进行准确的揭示。花岗岩孤石在地下发育各异，若仅靠少量钻孔，在宏观层面上，钻探成果不能完全揭示孤石的特征。

根据以上3种方法在该项目中的实际应用可知，只有综合运用好这3种方法，才能全面、详细地揭示花岗岩孤石在该区域的发育特征。因此，对花岗岩孤石发育地区的地质勘察可采取综合勘察的方法。首先，对花岗岩孤石发育地段进行详细的地质调绘，并按照花岗岩孤石发育和不发育两种类型，对花岗岩地区进行分区处理。其次，对地表花岗岩孤石发育的区域采用电阻率法和地震勘探法，从宏观上大致判断出该区域花岗岩风化界面的大致深度，为地质钻探深度提供参考资料。最后，根据物探法的宏观指导性深度，开展针对性的地质钻探工作，揭示花岗岩孤石的发育情况、地质特征等，为桥梁桩基工程提供详细的地质资料。