深圳地區花崗巖地層巖土工程特性及對地鐵工程的影響

張昌新 鄭太航 余志江

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

深圳地區花崗巖地層巖土工程特性及對地鐵工程的影響

張昌新 鄭太航 余志江

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

通過對深圳地區花崗巖地層巖土工程特性(物理力學性質、崩解性和差異風化)的分析，得到如下結論：花崗巖殘積土和全風化巖浸水易軟化、崩解，施工過程中宜注意采取防排水措施，并盡量減少對其擾動，避免長時間暴露和泡水?；◢弾r地層中差異風化形成孤石、風化深槽和上軟下硬地層，會給地鐵工程施工帶來不利影響，嚴重時甚至引發工程事故。

花崗巖 巖土工程特性 地鐵工程

深圳市位于廣東省南部，地處珠江三角洲南端，西臨南海，總體地勢東南高、西北低。根據區域地質資料，深圳地區花崗巖地層分布廣泛，約占區內面積50%以上。隨著深圳地鐵建設的大規模開展，工程界對花崗巖地層的巖土工程特性有了更深入的認識，以下重點分析和討論花崗巖地層對地鐵工程的影響。

1 花崗巖地層的分布特征

深圳地區花崗巖主要分布于東南部的鹽田區和大鵬新區，西部的福田、寶安、南山、龍華新區的局部范圍也有分布。東部花崗巖區原始地貌主要為丘陵和臺地，基巖埋深總體較薄，局部基巖裸露；西部花崗巖區及濱海地帶原始地貌主要為低臺地、沖積平原及濱海平原，地形較平緩，殘積土及全、強風化帶厚度較大，最厚可達90 m。

根據深圳市標準《地基基礎勘察設計規范》(SJG 01—2010)，按風化程度，花崗巖地層可分為未風化、微風化、中等風化、強風化、全風化及殘積土六層；按≥2 mm顆粒含量，又可將花崗巖殘積土分為礫質黏性土、砂質黏性土和黏性土三類。

深圳地區以中-粗?；◢弾r為主，其風化形成的殘積土主要為礫質黏性土，砂質黏性土次之。根據深圳花崗巖分布區地鐵工程殘積土分層統計及室內試驗統計結果，礫質黏性土約占花崗巖殘積土80%左右，砂質黏性土約占15%～20%，黏性土只占不足3%。

2 巖土工程性質

由于花崗巖自身礦物組份的差異和區域地質環境的多樣性，花崗巖地層也呈現出不同于一般地層的工程地質特點，主要表現在殘積土及風化巖的風化特征和各項物理力學性質等方面。

2.1 物理力學性質

深圳地區花崗巖殘積土及全風化巖中粗顆粒含量較多，不同于一般黏性土，其大于0.25 mm的顆粒質量超過總質量的50%，按國標顆粒成分可定名為中砂—礫砂。根據深圳地鐵勘察室內試驗統計結果，花崗巖殘積土天然含水量一般在16.3%～40.0%間，重度16.5～22.2 kN/m3，天然孔隙比0.447～1.543；壓縮系數0.3～0.8 MPa-1，壓縮模量2.5～6.7 MPa(由于取樣及試驗室開樣過程易擾動，實測壓縮系數偏大，壓縮模量偏小)；抗剪強度指標兼具黏性土與砂類土特性：直剪快剪內摩擦角13.6°～33.6°，黏聚力15.1～37.7 kPa；滲透系數滲透性微—弱，為0.012～0.282 m/d；主要黏土礦物為高嶺石，伊利石次之，自由脹率3%～8%。強風化花崗巖直接快剪內摩擦角18.1°～45.2°，黏聚力7.5～36.4 kPa；中等風化花崗巖的巖石飽和單軸抗壓強度一般在30～40 MPa左右；微風化花崗巖的巖石單軸飽和抗壓強度一般在55～100 MPa之間，最大可達175 MPa。

2.2 崩解性

花崗巖殘積土及全風化巖顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點，即顆粒成分中，粗顆粒(>0.5 mm)組分及顆粒小組分(<0.075 mm)的含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少。這種獨特的組分特征，為小顆粒從大顆粒的孔隙中涌出提供可能的條件。根據表1崩解性試驗結果顯示，試樣在浸水后，短期內迅速軟化、崩解，工程性質急劇變差，在卸荷、擾動以及水動力影響下，易產生管涌、流土等滲透變形現象。

表1 崩解性試驗成果匯總統計

注：崩解速度=崩解量/崩解時間。

2.3 差異風化

差異風化現象的形成除受巖體自身礦物成分不均勻性和巖體內部節理、裂隙發育情況影響外，還與眾多外部因素有關，如氣候、地形地貌及水文地質條件等。球狀風化(孤石)通常表現為殘積土及全強風化巖中夾球狀中等、微風化巖；風化深槽(陡坎)主要指基巖面變化突然、起伏巨大，起伏形態各異，極端情況下出現“V”形風化深槽或“A”形陡坎，使地層的均勻性、連續性和穩定性遭到破壞?；◢弾r典型球狀風化(孤石)和風化深槽(陡坎)現象見圖1。

圖1 花崗巖地層球狀風化(孤石)和風化深槽(陡坎)

3 對地鐵工程的影響

3.1 基坑工程

地鐵車站多位于繁華市區，圍護結構多采用地連墻或鉆(沖)孔樁加樁間止水。

花崗巖殘積土、全強風化層中風化球的分布具有隨機性，一般不具規律，詳細勘察往往很難查清，地鐵圍護結構施工時，常常造成鉆(沖)孔樁出現偏孔、擴孔、卡錘等現象。風化深槽(陡坎)會導致地連墻墻底高程連續性差、止水效果不佳、圍護結構侵限等問題。如深圳地鐵工程某車站地層中多處存在風化陡坎和風化深槽，圍護結構施工過程中，部分樁施工時擴孔、偏孔嚴重，時?？ㄥN；基坑開挖時發現局部侵限及坑壁滲水等問題。

花崗巖殘積土及全風化巖具有遇水易迅速軟化崩解的特點。因此，花崗巖殘積土和全、強風化巖層中開挖基坑前，應首先做好基坑排水措施，將地下水位降至開挖面以下0.5 m，分層分塊開挖，并保護好基底土層。

3.2 隧道工程

地鐵隧道施工多采用盾構法或礦山法施工，花崗巖地層中發育的孤石及花崗巖的上軟下硬地層往往給工程施工帶來不利。

(1)礦山法施工隧道

當礦山法施工隧道在松散地層中通過時，為確保施工時洞內干燥和工作面地層自穩，常進行洞內注漿止水，既能滿足止水，又能加固地層。當洞身范圍內存在上軟下硬地層時往往造成注漿效果不佳，無法達到止水的目的，并進而引發事故，在深圳地鐵某區間施工時，即發生上述情況。根據勘察資料，此處隧道拱頂圍巖為全風化巖，其上部為富水礫砂層，洞身范圍為上部全風化、下部中等風化巖，由于超前注漿止水效果不理想，開挖至該段時水量突然增大，攜帶大量泥沙從拱腰處涌出。

當隧道洞身范圍內存在風化深槽時，將造成圍巖或工作面地層突變，施工時常造成隧道塌方(如圖2所示)。深圳地鐵某區間下穿市政快速干道，根據勘察資料，隧道圍巖等級為Ⅲ級，礦山法施工時，遇風化深槽，工作面前方圍巖突然變差，以全、強風化巖為主，同時地下水量較大。由于預計的圍巖較好，未采取相應的超前支護措施，開挖至該段后，出現坍塌，隧道一度出現險情。

圖2 未探明的風化深槽導致圍巖坍塌

(2)盾構法施工隧道

盾構機在花崗巖地層中掘進時遇到孤石，會導致盾構機瞬間荷載突增，極易出現卡刀、刀圈崩裂、刀具偏磨等現象；如不能及時處理，孤石在刀盤前方隨刀盤滾動，導致掘進速度緩慢，盾構姿態不易控制，地層擾動加劇，進而有可能引起地面沉降甚至塌陷。深圳地鐵深桃區間、固后區間盾構施工時即遇到上述情況，最終造成地表塌陷事故(如圖3所示)。

盾構施工遇到上軟下硬地層時，由于隧道下部地層強度高，在磨巖過程中，盾構機頭部容易“上漂”，切削刀頭與盾身鋼殼間拱頂土層不能長時間自穩而塌落，出土過多而形成空洞，進而引起地面沉降或塌陷，出現險情。軟硬不均地層同樣也會造成刀盤、刀具損耗增大的問題。

對于采用盾構法施工的區間隧道，應在詳勘基礎上進行施工勘察，進一步查明孤石或上軟下硬段的分布，并采取相應的預處理措施。預處理措施可采取破碎和孔內爆破技術，或采用旋噴加固、地表注漿將全斷面硬化，確保施工安全。當不可避免需開倉處理孤石或局部硬巖時，應預先做好刀盤前方土體及圍巖加固，確保安全后方可進入。多采用膨脹劑、劈裂機或破碎機將孤石或硬巖劈解成小塊后取出。

3.3 高架及房建樁基礎工程

目前深圳地鐵高架段及車輛基地中的房建工程多采用樁基礎，以中等、微風化巖作為樁端持力層，孤石的存在可能造成樁基持力層的誤判。樁基施工以沖(鉆)孔灌注樁為主，孤石發育時極易導致卡錘、偏孔等孔內事故，堅硬的孤石，不僅引起樁錘損耗，而且導致進尺緩慢，嚴重影響施工進度。風化深槽(陡坎)基巖面一般較陡，沖孔過程中極易發生偏孔、擴孔，同時樁端完整嵌固深度也難以保證。以深圳地鐵環中線為例，塘朗車輛段屬典型花崗巖孤石分布區，施工圖階段勘察單孔揭露孤石最多達6個，樁基礎施工時，沖孔樁機經常偏孔，擴孔，不得已回填石料糾偏，極大影響了施工進度。由于未進行逐樁超前地質鉆探，個別工程樁由于孤石引起地層誤判，最終導致廢樁。因此，對于花崗巖地層，進行超前地質鉆探是十分必要的。

3.4 車輛基地邊坡工程

深圳土地資源稀缺，車輛段、停車場多位于廢棄的采石場，往往需要大面積的場地開挖修整，形成規模較大的人工邊坡。

花崗巖殘積土和全風化巖形成的土質邊坡開挖后，卸荷形成臨空面上的土體易沿原生或次生結構面滑動。深圳雨季較長，由于花崗巖殘積土和全風化巖浸水后易崩解，邊坡開挖后若不及時支護，土體中的原有細粒物質極易被沖走，形成深溝甚至坍塌，危及邊坡及周邊環境安全。

由花崗巖中等、微風化巖體形成的巖質邊坡，其穩定性主要取決于巖體中結構面產狀與邊坡臨空面的關系及外力影響。當節理傾向邊坡臨空面，傾角與邊坡傾角接近時，坡腳卸荷、坡頂加載以及坡體周邊其他外力(主要指振動或地下水壓力)影響都有可能誘發順節理面滑坡；因此，花崗巖巖體中結構面的產狀對邊坡穩定性、支護方式及治理成本影響較大。

4 結論

花崗巖地層的巖土工程特性決定了其對地鐵工程設計和施工的特別影響。

花崗巖殘積土和全風化巖遇水迅速軟化崩解，地鐵工程施工應減少對其擾動，并注意采取排水措施，避免長時間暴露和浸水。

花崗巖地層差異風化形成孤石和風化深槽及上軟下硬地層給地鐵工程施工造成不利影響，嚴重的甚至引發工程事故。在施工之前，應在詳勘的基礎上進行施工勘察。對于盾構區間施工勘察應不拘泥于規范，鉆孔應盡量在洞身內布置(完成后嚴格封孔)以期進一步查清孤石和上軟下硬地層的分布。在此基礎上，采取合適的預處理措施，保證工程施工安全。

[1] 張曠成，邱建金.深圳地區巖土工程的理論與實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2000

[2] SJG 01—2010地基基礎勘察設計規范[S]

[3] 黃力平.地鐵盾構施工遇花崗巖風化球的處理對策及關鍵技術[J].土工基礎，2012(4)：1-4

[4] 鐘長平，竺維彬，周翠英.花崗巖風化地層中盾構施工風險和對策研究[J].現代隧道技術，2013(3)：17-23

[5] 黃漢盛，江永存.花崗巖殘積土中微裂隙對基坑安全的影響[J].地質科技情報，2005(z1):69-73

[6] 高建國.花崗巖風化土中地鐵基坑施工風險和對策[J].鐵道勘察，2010(3)：117-121

[7] 付艷斌.上軟下硬地層中盾構法隧道施工技術[J].交通科技與經濟，2009(4)：80-84

[8] 劉成禹，張維泉.花崗巖殘積土中淺埋隧道修建的主要工程問題[J].鐵道勘察，2011(3)：31-34

TheCharacteristicsandInfluencetoSubwayConstructionofWeatheredGraniteinShenzhenArea

ZHANG Chang-xin ZHENG Tai-hang YU Zhi-jiang

2014-06-12

張昌新(1965—)，男，1986年畢業于西南交通大學工程地質專業，工學碩士，高級工程師。

1672-7479(2014)05-0026-03

TU451

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