廈門島內花崗巖球狀風化特征分析及其工程地質問題

張 兵

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1 概述

球狀風化體是花崗巖地區較為常見的一種不良地質現象。球狀風化體的存在會造成風化帶均勻性變差，力學強度差異大，往往給工程勘察、設計、施工造成不良影響。

關于花崗巖球狀風化的成因，國內學者做了大量研究工作。王浩等認為花崗巖球狀風化與礦物成份差異、構造斷裂帶分布和區域氣候條件有關[1]；陳明曉結合廣州沿海地區花崗巖風化情況的分析研究，認為氣候條件、地形地貌和花崗巖的不同特征是其主要影響因素，花崗巖礦物組成、結構構造和節理裂隙發育情況決定了花崗巖中普遍存在差異風化現象[2]；馮濤等統計分析了花崗巖球狀風化體的地下分布特征，其在垂直風化面上具有“上小下大、上多下少”的總體分布趨勢[3]；此外，還對花崗巖球狀風化體的礦物元素含量和微觀形貌特征進行了研究[5]；董榮認為花崗巖球狀風化體的形成是因地質應力和巖體裂隙中的風化產物(黏土礦物)吸水膨脹、失水收縮而形成[4]。根據廈門地鐵1號、2號和3號線島內段鉆探揭示的花崗巖球狀風化體狀況，結合區域構造、水文、地形地貌及礦物成分，對廈門島內花崗巖球狀風化體的分布特征進行分析。

2 球狀風化體的形成過程

在廈門地區，因晚侏羅世以來的燕山運動，以及太平洋板塊向歐亞大陸板塊的俯沖，造成其斷塊構造運動加劇。許多斷裂帶成為火山噴發的天然通道，導致規模巨大的火山噴發，形成本市境內分布廣泛的上侏羅統南園組巨厚的鈣堿性火山巖系堆積。廈門島內中部仙岳山呈北東向帶狀分布，由于板塊構造活動劇烈，幔源物質沿斷裂帶上升，形成大面積的侵入巖體—花崗巖。冷卻后，溶體收縮并產生張力，使巖體破裂，形成一些冷縮節理[6]，為后期風化剝蝕提供了條件。自晚白堊紀以來的喜馬拉雅運動致使本區地殼表現為斷續隆升。第四紀以來，本區地殼相對穩定，以斷塊垂直差異升降運動為主。晚更新世期間，地殼有兩次升降運動，發生過兩次海進。在廈門地區主要發育有北東、北北東斷裂和北西向斷裂(如圖1)。

圖1 廈門島內斷裂帶和球狀風化體分布

綜上所述，本區域球狀風化體形成過程為：褶皺構造→巖漿侵入→節理形成→斷塊差異升降→構造裂隙帶發育→水的蝕侵→球狀風化體。

3 球狀風化體形成因素及平面分布特點

3.1 區域構造的影響

因熱脹冷縮效應，花崗巖易產生三組相互正交的節理。三組節理將巖體切割成大小不等的立方體、長方體、菱形體或不規則塊體[7]。后期，因斷塊差異升降擠壓，在局部高傾角裂隙發育密集區形成擠壓裂隙帶，增加了塊體的表面積，同時也成為地下水的滲流通道，促進了巖塊的物理和化學風化。花崗巖塊體中，棱角處呈三面風化趨勢，風化作用最集中；邊角呈兩面風化趨勢，風化作用相對集中。隨著風化的發展，巖塊的棱角和邊角逐步被圓化，巖塊逐漸變小，小體積塊體被風化成“土狀”產物，最終形成風化槽，其中，體積大、無裂隙的塊體最終形成球狀風化體。

由圖1可知，筼筜湖與仙岳山之間的殘積臺地球狀風化體最為發育，主要表現為深厚的土狀風化層，發育有串珠狀球狀風化體(如圖2)，其次為殿前、高崎和鐘宅一帶的球狀風化體，主要表現為球狀風化體與基巖相伴而生(如圖3)。鉆探揭示：中微風化巖面分布平緩的地段球狀風化體不甚發育(如圖4)。另外，鉆探揭示，五緣灣停車場地層微風化巖面分布平緩，未發現球狀風化體，說明斷裂或擠壓裂隙是花崗巖球狀風化體形成的必要條件。根據廈門島的斷裂構造格局及鉆探資料分析，廈門島中部筼筜湖斷陷平原邊緣和北部殿前、高崎到鐘宅一帶球狀風化體最為發育。

圖2 3號線人才中心站地層情況(單位：m)

圖3 2號線建業路到湖濱中站區間地層情況(單位：m)

圖4 2號線金融中心站到高林站地層情況(單位：m)

3.2 水的作用

無論是地表水、地下水還是海水，都對球狀風化體的形成有舉足輕重的作用。廈門屬亞熱帶海洋性氣候，夏、秋兩季多臺風暴雨，降雨量豐富，年平均降水量達1 183.4 mm。地下水或海水沿擠壓裂隙帶滲流，有利于促進塊體的風化侵蝕。另外，鉆探揭示，濱海平原區球狀風化體發育數量遠小于殘積臺地。在表層分布深厚軟土層的地區，下部花崗巖風化層中球狀風化體不發育。其原因為：在濱海平原區，受海水漲落潮影響，地下水流動變化頻繁，主要通過溶解、水解、碳酸化和氧化作用等方式進行化學風化，大部分體積較小的球狀風化體已風化成全強風化層。圖5、圖6為筼筜湖范圍內濱海平原區的地層剖面，表現為球狀風化體不發育。而殘積臺地地下水活動較弱，擠壓破裂帶只有間斷性的降雨入滲，花崗巖易形成球狀風化體并殘留在殘積土和全強風化帶中。

圖5 1號線文灶到湖濱東路區間地層情況(單位：m)

圖6 3號線廈門火車站至湖濱東路站區間(單位：m)

3.3 礦物成分的影響

花崗巖的抗風化能力相差很大，其中石英抗風化能力最強，其次是長石，而云母、角閃石、輝石等抗風化能力較弱[8]。云母和長石類礦物易風化形成高嶺石、水云母和蒙脫石等親水性礦物，這類黏土礦物易吸水膨脹，使致密的花崗結構變得松散，加大了花崗巖的透水性。因此，后期的風化剝蝕作用也便有機可乘。另外，深層侵入的花崗巖結構密實，結晶顆粒較大，巖體抗風化能力強，易形成球狀風化體。而淺層的花崗巖石英含量相對較少，長石云母含相對較多，巖體抗風化能力弱，不易形成球狀風化體。廈門島內的花崗巖主要為燕山晚期第一次侵入和第二次侵入的產物，侵入時間不同，礦物成分亦有所不同。第二次侵入巖主要分布在小東山至安兜一帶，巖性為次花崗巖和潛二長花崗巖，石英含量相對較少，長石和黑云母含量相對較多，巖體抗風化能力較弱，球狀風化體發育較少(如圖7、圖8)。

圖7 3號線安兜站到湖里法院站區間(單位：m)

圖8 3號線湖里法院到雙十中學站區間(單位：m)

在自然界中，球狀風化類似于差異風化現象，是發生在相同巖性巖體中的差異性風化。球狀風化的形成，宏觀上主要受區域地質構造、水文條件和氣候的影響，微觀上主要受礦物成分和裂隙控制。總之，花崗巖球狀風化體的形成是各因素綜合作用的結果。根據上述結論，結合對島內地質狀況的分析，推測了島內球狀風化發育程度分布：廈門島中部筼筜湖斷陷平原邊緣和北部高崎到鐘宅一帶球狀風化體最為發育，仙岳山到安兜一帶和東南部球狀風化體不發育，其它地區零星發育(如圖9)。

圖9 廈門島球狀風化體發育程度分區

4 花崗巖球狀風化體分布規律研究

4.1 風化程度

圖10 球狀風化體風化程度統計

花崗巖球狀風化體風化程度統計結果如圖10所示，球狀風化體中約2/3為微風化花崗巖，巖質堅硬，內部一般無裂隙，與相同風化程度的基巖有相近的礦物成份；余下不到1/3為中風化球狀體。其中的長石成份因局部風化變色(由灰白色變為灰黃色)，強度相對較低。碎裂狀強風化物僅占2%。

4.2 分布地層

花崗巖地區正常的風化層序一般為：殘積土-全-強-中-微-未風化。但球狀風化體的發育往往改變這種風化規律。如圖11所示，球狀風化體在殘積層、全風化層、散體狀強風化層和碎裂狀強風化層均有發育，但其主要發育在全風化和散體狀強風化地層，殘積土次之，碎裂狀強風化層發育很少，僅占8%。

圖11 球狀風化體分布地層統計

4.3 層頂埋深

球狀風化體層頂的分布位置直接影響建筑物的布置和施工工藝。從圖12可以看出，球狀風化體層頂埋深總體呈正態分布，在10～20 m內出現的頻率最高，接近50%。在該深度范圍內，主要影響樁基施工和盾構機安全掘進。從圖13可以看出，厚度大于5.0 m的球狀風化體頂層埋深較淺，一般在地表下25.0 m以內，且數量發育較少。

圖12 球狀風化體層頂埋深統計

圖13 風化球大小隨埋深變化的散點分布

4.4 層頂高程

由圖14可以發現，球狀風化體層頂高程總體呈正態分布，主要分布在-30～0 m區間內，出現頻率接近80%。此高程段以外出現的頻率較低。另外，鉆探揭示的厚度主要集中在0.1～5.0 m，約占全部的97%，厚度大于5.0 m的球狀風化體僅占約3%，且頂層高程集中在-10～10 m之間(如圖15、圖16)。從基坑開挖揭露的情況來看，球狀風化體往往水平軸的長度大于豎直厚度，呈橢球狀。

圖14 球狀風化體層頂高程統計

圖15 球狀風化體揭示厚度統計

圖16 球狀風化體揭示厚度統計

5 花崗巖球狀風化體的工程地質問題及對策

5.1 明挖法施工

因球狀風化體的存在，明挖法施工易造成鉆進速度慢、偏孔、卡鉆、鉆頭損耗大、圍護樁或墻體傾斜，以及圍護結構滲漏、坑外側水土流失、支撐受力不均等，降低了圍護結構的安全性。尤其是在傾向坑內的結構界內，施作結構防水時需對傾入結構內的圍護結構進行破除，嚴重影響基坑安全。施工時，可預先采用沖孔、地面鉆孔爆破[9]等方式對球狀風化體進行預處理。在成孔或成槽過程中，應定時檢測其垂直度；對圍護結構樁間或地連墻接頭出現的滲漏進行補漏處理，并在圍護結構外側注漿或施作旋噴樁。在廈門地鐵3號線湖濱東路站的地下連續墻施工中，采用了沖孔破巖方式處理球狀風化體，經開挖核實，墻體質量滿足要求；人才中心站和華榮路站局部樁間滲水較大，采用注漿止水后，效果較好。

5.2 淺基礎差異沉降

若基坑底部存在球狀風化體，易導致地基軟硬不均。若采用淺基礎，易形成差異沉降，導致結構底板開裂滲水，給地鐵運營帶來不良影響。若球狀風化體部分侵入基底，應破除球狀風化體，使其低于基底一定深度，再分層回填夯實，避免基底軟硬不均造成的不均勻沉降。在廈門地鐵3號線華榮路站，采用了碎石土回填措施，目前主體結構已完成，未出現差異沉降現象，基礎和結構狀態良好。

5.3 礦山法隧道圍巖變形

如采用礦山法進行隧道施工，球狀風化體形成的堅硬巖核與較弱土層混雜，嚴重加劇了工程巖土體的不均勻性，導致圍巖級別較低，地下水運移條件復雜，易誘發隧道支護結構變形甚至塌方冒頂事故。通常情況下，地鐵隧道埋深淺且地下水較發育，洞身圍巖開挖后易受圍巖不均勻影響，導致圍巖變形不均勻和地下水滲透通道分布不均勻，工作面上部的球狀風化體向洞室內位移，引起初期支護局部應力集中，隨之出現地表下沉、初期支護大變形等工程問題[10]。因此，若遇球狀風化體，應對風化層進行注漿加固，再對其進行爆破。在加固的過程中，應對球狀風化體的穩定性進行監測，必要時采取有效的支承措施。爆破過程中，對用藥量、爆破振動等進行控制，處理完畢后應及時施作初支結構，及時封閉成環。在深圳市軌道交通10號線南坑站至光雅園站區間的礦山法開挖施工中，采用上述處理方法，保證了隧道施工的順利進行[11]。

5.4 盾構法隧道掘進困難

在盾構法施工過程中，如果周圍地層與球狀風化巖體強度差異大，將導致掘進速度緩慢，若盾構機強行掘進，往往會加大地層擾動，加大地表沉降[12]，對隧道影響范圍內的建(構)筑物極其不利。另外，盾構機在球狀風化體發育的地層中進行掘進，易造成刀具和刀盤的嚴重磨損，甚至因盾構機刀盤受力不均，導致盾構姿態波動較大。因此，在盾構法隧道掘進過程中，應對隧道范圍內的球狀風化體進行預處理，采取諸如地面鉆孔微差爆破、沖孔或沖擊法等方法進行提前破除[13]。不具備地表處理條件時，可采取洞內進艙爆破、巖石分裂機破除等方式進行處理。在廈門地區，采用盾構法施工的隧道均進行了地表鉆孔爆破處理，總體來說效果較好，但勘察未發現的球狀風化體對掘進的影響依然很大。

5.5 端承樁持力層選擇

選擇基巖作為端承樁的持力層時，若樁端落在花崗巖球狀風化體上，因承受較大荷載，球狀風化體可能會發生轉動和不均勻沉降變形，導致樁基承載力降低。尤其是一柱一樁的結構形式，可能造成極大的工程隱患或釀成不良后果。在進行以基巖為樁端持力層的樁基施工時，應對勘察揭示的球狀風化體分布特征進行分析[14]，必要時應對球狀風化體發育區的樁基進行施工勘察，進一步查明球狀風化體的分布范圍，確保樁端嵌入基巖中。

6 結論及建議

(1)花崗巖球狀風化體形成的主要因素為地質構造、水和礦物成分，是各因素綜合作用的結果；受構造格局的影響，廈門島中部筼筜湖斷陷平原邊緣和北部殿前、高崎到鐘宅一帶球狀風化體最為發育，仙岳山到安兜一帶和東南部球狀風化體不發育，其它地區零星發育。

(2)廈門島內約2/3的花崗巖球狀風化體的風化程度為微風化，中風化花崗巖約占1/3；主要發育于全風化和散體狀強風化帶中。厚度主要為0.1～5.0 m，約占97%，大于5.0 m僅為約3%。

(3)廈門島內的球狀風化體層頂埋深集中在10～20 m內，接近50%，厚度大于5.0 m的球狀風化體頂層埋深較淺，埋深約小于25.0 m，且數量較少。層頂高程-30～0 m內的出現頻率接近80%。厚度大于5.0 m的球狀風化體頂層高程集中在-10～10 m之間。

(4)球狀風化體的存在大大增加了工程建設的難度。主要表現為圍護結構施工困難，質量不易控制，易產生基坑安全風險；以及基礎差異沉降、結構底板開裂滲水等；對于礦山法施工，易產生支護結構變形和塌方冒頂事故；盾構法施工時易導致掘進困難、地表變形大且刀盤和刀具磨損嚴重；若端承樁落在球狀風化體上，將導致其承載力降低。

建議在花崗巖球狀風化體發育區采用綜合勘探方法，采用兩種或兩種以上的物探方法進行探測，通過鉆探驗證，不斷總結經驗和改進技術方法，提高花崗巖球狀風化體探測的準確率[15]。