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，地質條件較復雜，部分地段花崗巖風化帶中存在差異風化后殘留的孤石，孤石的存在會造成風化程度等級的突變。在橋梁工程勘察過程中，勘察技術人員容易將花崗巖孤石誤認為弱風化基巖，若以此進行樁基設計，以孤石作為樁基持力層，將給工程造成危害。因此，在花崗巖球狀風化發育地區，研究孤石形成的機理、分布規律和工程特性，對于橋梁工程勘察、設計和施工來說十分必要。

1 地質概況

漳州港尾鐵路穿越我國福建省東南沿海低山丘陵區、臺地區、龍海海積平原區和濱海漫灘區，沿線上覆土層較厚，覆蓋層主要為第四系全新統人工填土層（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。

2 球狀風化形成機理

花崗巖類巖石中，水、氣體、微生物等沿著花崗巖節理裂隙侵入，從多個方向的裂隙切割巖體，導致花崗巖巖體由表及里、層層風化剝離開來，在風化裂隙交匯處，風化作用強度和深度也相對較大，促使巖體內未受風化的花崗巖成球形，形成花崗巖球狀風化。球狀風化體的風化程度與周圍巖土體風化程度嚴重不同，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化的發育情況，相關人員在收集區域地質資料和附近工程經驗的基礎上，針對性地采取了多種勘察方法。

3.1 地質調繪方法

針對鐵路線路兩側各300m的范圍開展現場地質調繪工作。對出露花崗巖孤石的風化程度、大小、位置等特征進行記錄和綜合匯總分析。調查發現沿線低山丘陵區發育有花崗巖孤石，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；測區地表孤石粒徑大多為0.5～4m，個別達6～8m；在線路分布上表現為離散性大，空間賦存特征不規則。

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環境，以及相應地層的物理性質。在花崗巖地區，不同地層的電阻率、彈性波速度差異明顯，地表覆蓋層、全風化層、強風化巖層、弱風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分。物探能在宏觀層面上對花崗巖的風化界面進行揭示，彌補了鉆探只能豎向揭示球狀風化體的發育狀況，不能揭示孤石橫向空間發育狀況的缺點。漳州港尾鐵路在部分代表性地段進行了物探工作。在孤石淺埋地段，部分區域在反射時間剖面圖和地震映像時間剖面圖上表現出波組錯斷或缺失現象，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，需采用地質鉆探的方法加以驗證確認，物探只能提供宏觀的參考。

3.3 地質鉆探方法

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

（1）巖石頂板標高類比法。該方法是利用相鄰地質鉆孔揭示的基巖頂板高程，判別是否為孤石。花崗巖孤石的頂面標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#墩設計以弱風化花崗巖作樁基礎持力層，PDZ-GWDQ-07鉆孔在標高-6.09m即進入堅硬巖層，鄰近兩孔完整弱風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鉆孔在標高-6.09m處遇到孤石的可能性較大，即要求鉆機組加深鉆孔，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）基巖風化層類比法。該方法是按照花崗巖風化規律進行判斷，利用花崗巖地區自上而下可分為坡殘積層、全風化層、強風化層、弱風化層、微風化層、未風化層的規律，判別是否為花崗巖孤石。孤石大多分布于花崗巖全風化地層中，少部分分布于花崗巖強風化地層中。孤石頂面一般都缺失強風化巖層或強風化巖層厚度極薄。

（3）巖石風化狀態類比法。花崗巖孤石以微風化巖為主，地質鉆探取芯時巖芯完整，節理不發育，少數為弱風化巖石。

在地質調繪確認的孤石可能分布的區域進行地質鉆探工作時，應嚴格按工程進度及時繪制地質縱斷面圖，掌握地質鉆孔基巖面起伏變化情況。對鉆孔揭示巖面標高明顯高于鄰近鉆孔的地段，以及強風化花崗巖地層和鄰近鉆孔對比，出現明顯缺失或極薄的地段，地質鉆孔深度應適當加深。例如，對港尾大橋PDZ-GWDQ-07鉆孔判定可能為孤石后，即要求鉆機組加深鉆孔，鉆穿厚達11.5m的弱風化孤石，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，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情況。另外，存在鉆探中未揭露到孤石，而在橋墩群樁基礎的施工過程中，出現個別樁提前進入完整基巖或可能遇到孤石的情況。當地質變化差異較大時，應進行補充鉆探或進行超前鉆孔。

3.4 綜合勘察方法

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

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

（3）利用地質鉆探方法可以對單個橋墩地下孤石的發育情況、地質特征從豎向剖面上進行詳細的揭示，為橋梁工程樁基施工提供比較準確的地質勘察資料，但對花崗巖孤石在橫、縱斷面上的特征無法進行準確的揭示。花崗巖孤石在地下發育各異，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。

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

4 結束語

孤石是閩南花崗巖地區的一種不良地質現象，在遇到孤石發育的場地，對其進行地質勘察時，應結合多種勘察方法，系統地了解花崗巖孤石的分布狀態，分析孤石對工程的危害程度，提醒設計單位采取有效的工程措施對孤石進行處理，降低孤石對工程建設造成的不良影響。