花岗岩孤石研究现状及展望

0 引言

孤石在我国沿海一带分布较为丰富,特别是广东、福建地区。随着城市规模不断扩大,地面宜建空间资源的紧张,极大加剧了人们对地质灾害多发区的开发利用,孤石灾害也随之越发突显。花岗岩孤石作为常见的地质灾害,具有分布不确定性、埋藏边界的隐蔽性,与周边土体力学特性的强烈差异性,给工程设计、施工增加难度,造成不必要的经济损失。临近道路、居住区的边坡上孤石极易形成落石,严重威胁人们的生命财产安全。发育的花岗岩孤石已经给城市建设、交通建设带来巨大的挑战。目前我国对孤石方面的研究还比较少,多数还停留在对孤石的某一方面上的研究,如董荣［1］对孤石的形成机理研究；党如姣［2］对如何探测孤石的研究；付冬平［3］对广东花岗岩地段孤石地下分布特征的研究。这些研究缺乏系统性,对于目前工程的需要还远远不够。因此,其深入研究对城市建设具有重要的社会与经济意义,是人员和构筑物安全评估的重要依据。

1 孤石种类与成因

孤石又称花岗岩风化球,主要分布于残积层中,具有一定的隐蔽性,一般为近似球形,直径在0.5～8 m不等。孤石完整内无节理裂隙,孤石岩质由中风化-微风化岩组成,岩质坚硬（广州地铁3号线所遇孤石强度超过160 MPa）力学特性与周围土体差异大。工程所遇孤石情况将孤石分为三类：第一类是残积岩层内的球状微风化岩块［4］（机理不明,分布离散性强,强度高、与周边地层差异大,以广州、深圳多见）；第二类是沉积层内的孤石（冲积、洪积等地质演化过程中的偶然现象,分布离散性强、强度高与周边岩性差异大,无明显地域特征）；第三类是人工填石（多在人工填海、填湖、填江地区）。

国内学者普遍认为,花岗岩在物理风化与化学风化共同作用形成了花岗岩球状风化物又称“孤石”,化学风化为主,物理风化为辅。形成孤石有内外两种因素,岩性是控制风化的内因,节理、气候、地形条件等是控制风化的外因,其中花岗岩的原生节理是形成孤石的重要外因,且孤石的显微结构特征与同等风化程度的风化层岩基本相同。《地貌学原理》［5］书中认为：花岗岩在三组相互正交的原生节理切割下,形成许多长方形或近似正方形的岩块,由于风化作用将周边棱角磨圆,岩块逐渐球化,最后形成风化球又称孤石。

国外研究者［6-7］认为形成花岗岩球状风化物的主要因素有岩石的体积变化、岩石的缝隙、岩石卸载及外部应力因素。其中岩石御载理论认为,由于板块运动使得花岗岩体位置上升,导致上覆的岩土体逐渐减少,受到的挤压力也随之减小,在这个过程中使得花岗岩体体积向外膨胀,形成许多裂缝,继续的风化,形成孤石。

孤石的成因不是一两种因素造成,必定是多种因素共同作用形成的。但孤石形成特殊区域化、形成过程中水、气候等因素的定量化的研究成果鲜有报道,有待继续深入的研究。

2 孤石分布

2.1 孤石的地下分布

形成孤石的控制因素很多,其分布具有地域性差异。例如,武广客运专线韶花段［8］花岗岩孤石总体分布规律：上小下大、上多下少。闽东南地区花岗岩差异风化严重,由燕山期花岗岩大面积出露,形成许多裸露的孤石。广州北部地区燕山期花岗岩钻孔资料表明,该地区孤石直径基本在0.5～7.5 m,残积土、微风化岩、强风化岩中均存在孤石,分布不均,形态多为单个或串状的孤石群。上部0～10 m土层内孤石很少,一般单个分布；中部10～30 m岩层为孤石主要分布区域,分布一般呈珠串状；深部（＞30 m）孤石较发育,呈单个或珠串状。全风化带中孤石直径一般在1～5 m,微风化层为孤石直径＞5 m的主要分布区。从图1中可以看出孤石分布规律性较差。但在垂直剖面上的总体规律特性：深度的增加孤石的数量减小,孤石的体积会增大,即“上多下少,上小下大”［9］；残积土中分布的“孤石”较少,主要分布于全风化带和强风化带中。

图1 广梅汕铁路某段工程地质纵断面
Fig.1 A section of engineering geology in Guang-mei-shan Railway

2.2 孤石的地表分布

孤石在地表的分布形式主要有：大面积“乱石岗”孤石群,经山洪等地表搬运形成的集中堆积“孤石堆”,与全风化花岗岩混杂共生的“石蛋群”。总体上孤石在地表的分布状态一般为单个零星分布、线状分布或群体分布（如图2）,当探测显示地下存在孤石时,该探测点地表附近一般存在大量的出露孤石。探测未揭露孤石时,地表一般无或极少有出露孤石。

图2 孤石的地面分布图
Fig.2 The ground distribution map of spheric weathered granite

3 孤石的探测

花岗岩地层中孤石的埋藏深度、直径大小、垂直与水平的分布规律的研究对工程成本和工程进度的精确计算具有重要意义［10-11］。孤石含量百分比的研究对土石方计量和计价的计算具有重要的参考价值。但闹市线路钻探由于管线、交通、人员安全等问题非常困难,故物探法是路线孤石探测的常用方法。王典［12］指出广州地铁针对孤石探测问题在三号线（机场线）和六号线二期专设课题研究,结果表明：核磁共振法、地质雷达法、地球物理测井法等地面物探方法效果一般；电磁波CT探测效果不错,但不能准确描述孤石位置；跨孔回声探测法有效果,但要完成孤石的平面定位,不但工作量大且孤石成群发育时无法分辨个体；跨孔超高密度CT和跨孔地震CT效果较好,对孤石的定位较好,与揭露孤石位置较吻合。刘岳宏［13］对孤石海域物探研究表明水上高频、高密度多次覆盖地震反射波勘探法是海域孤石探测的较好方法。张晓,等［14］对广东某电厂下的孤石进行统计分析后发现,水平向采用遇孤石率统计分析,竖向孤石厚度和线孤石率统计分析,多个钻孔遇孤石的概率可以采用二项分布表示,孤石厚度和线孤石率服从正态分布。但是,多解性问题是地球物理探测的固有难题,上述物探方法也不例外。

目前孤石探测方法多种多样,但就探测的水平来看,还没有一种方法能做到省时、准确、经济的,需多种探测方法配合。由此加大了探测难度,增加了探测成本。

4 孤石工程问题与处理

4.1 孤石工程问题

孤石问题是我国地铁、铁路客运专线、城市建设、边坡治理等岩土工程施工过程中常遇问题。地铁盾构遇到孤石轻则使刀具损坏严重,掘进困难,被迫频繁换刀成本急剧增加,重则使刀片飘移,改变掘进线路（如图3）。另外对土层扰动大更易造成进一步工程事故,北京、上海、广州、深圳等地的地铁施工中都遭遇不同程度的孤石危害。桩基施工中所遇孤石问题指出孤石对桩基的工程安全影响巨大,可能会引起桩基失稳,短桩、断桩、不均匀沉降等现象,形成巨大的安全隐患。孤石大量存在于边坡中,滚石、落石、崩塌、滑坡是花岗岩孤石边坡的主要地质灾害,当边坡临近居民区建筑或公共设施时形成极大的安全隐患［15］（如图4）。目前工程中孤石的问题已经给人们带来了很大的困扰,具体如何有效的处理,需进一步的研究。

图3 盾构隧道时遇到孤石
Fig.3 Spheric weathered granite encounteredin shield tunnel

图4 深圳铁仔山公园某边坡中孤石
Fig.4 Spheric weathered granite in a sideslope of Tsai Mountain Park

4.2 孤石处理

孤石问题处理具有特殊性,地基处理、地铁盾构、边坡处理等不同岩土工程问题具有不同的处理方法,但限于探测技术和经济条件的制约,目前孤石处理常处在被动状态［16-17］。

地基处理中一般针对深浅层不同位置、直径大小的不同的孤石处理方法不同。蔡文鹤［18］对福建孤石和残留体桩基处理过程中,孤石直径为2～5 m时桩尖不必穿过孤石,而将孤石作为残积土持力层按照扩大头设计,工程竣工使用近20年未见异常现象,效果良好。俞玉忠［19］对厦门花岗岩孤石（直径一般为1～5 m）的研究表明串联孤石地基在承载力验算满足条件的基础上可以将基础持力层落于孤石上。王耀刚,等［20］认为浅部和深部的花岗岩孤石处理不同,珠海地区深部孤石（基础底部2 m以下）一般不会对建筑物产生危害,可作为残积土层中的包裸体。俞青［21］建议厚度＞3.2 m的孤石可以作为桩径＜800 mm的持力层,厚度＞4 m的孤石作为桩径≯1 000 mm的冲钻孔灌注桩的持力层时可不考虑上覆软弱土层的摩阻力。李乾［22］建议在地铁施工过程中直径3 m以上的集中孤石群可以采用竖井开挖排除,直径≯2 m的孤石可采用人工清除,小范围较为分散且内直径＜1 m、位置明确的孤石可采用冲孔成桩工艺破除。张勃［23］建议采用微差爆破法处理人工挖孔中碰到的孤石问题。黄兴华［24］对孤石出露地基基底一定深度范围的处理方法对地基沉降的影响进行了探讨。

采用盾构的方法施工隧道遇到孤石［25-26］时一般“弱化孤石地质成因”从工程角度“提出系统的工程对策”,地铁盾构施工中的孤石问题一般采用地面钻孔爆破或是采用新型施工工艺。李福清,等［27］采用球齿滚刀等破除深圳地铁4号线403A标民白高架区间A15～A19墩间的地下灌注桩内孤石施工。李有兵［28］报道长沙芙蓉广场站到五一广场站间330 m长孤石群地层中首次使用了盾构直接破除孤石的技术,实现了长距离孤石群地层盾构不换刀,为城市地铁盾构的安全快速施工提供了借鉴和参考。

孤石的问题重点是如何治理裸露在边坡上的孤石,此种孤石危险性高,在地震、降雨等条件下容易发生滚落,给人们的生活生产带来危害。林镇,等［29］以闽东南花岗岩边坡孤石为研究对象,研究孤石滚落的轨迹、冲击特性等规律,提出一套边坡孤石防护设计方案。杨智翔,等［30］对高边坡上的孤石进行了分析,得出了地震和暴雨工况下是危岩体孤石失稳的主要因素。对于边坡工程中遇到的孤石如何处理,目前,这方面的研究还较少,工程中多采用爆破清理,但此种方法在目前人们追求人与自然和谐发展下显然不是最优的选择。边坡中孤石的形成机理、埋藏的边界情况、稳定性、运动与能量、危险性评估及边坡中孤石的治理将会成为以后孤石研究的重点。

5 展望

孤石作为花岗岩地层常见的地质灾害问题,对其地质成因、分布特征、物探方法以及岩土工程问题的处理等方面的深入研究,从而为城市建设过程中可能遇到的孤石问题提供设计、造价和施工的评价的理论依据,具有重大科研意义和实际工程应用价值,广泛应用可产生巨大经济与社会效益。如下几个方面重要的研究意义：

⑴ 从矿物和节理裂隙演化等微观角度出发,采用模型试验方法,探讨孤石在花岗岩地层的成因和区域性差异,对孤石问题解决具有指导意义。

⑵ 根据已发掘和孤石探测结果,总结孤石分布在地层中的方向性与原岩节理构造的关系,并探讨孤石的立体空间分布的规律绘制孤石的三维分布图,将对孤石地区的岩土工程的设计、施工、土石计算等提供支持。

⑶ 更加准确、实用的浅层孤石探测方法的研发,是孤石问题解决的强有力支撑。

⑷ 工程中合理处理孤石的方法将有利于减少灾害的发生,节约资源、保护环境。

参考文献

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