张 兵

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

球状风化体是花岗岩地区较为常见的一种不良地质现象。球状风化体的存在会造成风化带均匀性变差，力学强度差异大，往往给工程勘察、设计、施工造成不良影响。

关于花岗岩球状风化的成因，国内学者做了大量研究工作。王浩等认为花岗岩球状风化与矿物成份差异、构造断裂带分布和区域气候条件有关[1]；陈明晓结合广州沿海地区花岗岩风化情况的分析研究，认为气候条件、地形地貌和花岗岩的不同特征是其主要影响因素，花岗岩矿物组成、结构构造和节理裂隙发育情况决定了花岗岩中普遍存在差异风化现象[2]；冯涛等统计分析了花岗岩球状风化体的地下分布特征，其在垂直风化面上具有“上小下大、上多下少”的总体分布趋势[3]；此外，还对花岗岩球状风化体的矿物元素含量和微观形貌特征进行了研究[5]；董荣认为花岗岩球状风化体的形成是因地质应力和岩体裂隙中的风化产物(黏土矿物)吸水膨胀、失水收缩而形成[4]。根据厦门地铁1号、2号和3号线岛内段钻探揭示的花岗岩球状风化体状况，结合区域构造、水文、地形地貌及矿物成分，对厦门岛内花岗岩球状风化体的分布特征进行分析。

2 球状风化体的形成过程

在厦门地区，因晚侏罗世以来的燕山运动，以及太平洋板块向欧亚大陆板块的俯冲，造成其断块构造运动加剧。许多断裂带成为火山喷发的天然通道，导致规模巨大的火山喷发，形成本市境内分布广泛的上侏罗统南园组巨厚的钙碱性火山岩系堆积。厦门岛内中部仙岳山呈北东向带状分布，由于板块构造活动剧烈，幔源物质沿断裂带上升，形成大面积的侵入岩体—花岗岩。冷却后，溶体收缩并产生张力，使岩体破裂，形成一些冷缩节理[6]，为后期风化剥蚀提供了条件。自晚白垩纪以来的喜马拉雅运动致使本区地壳表现为断续隆升。第四纪以来，本区地壳相对稳定，以断块垂直差异升降运动为主。晚更新世期间，地壳有两次升降运动，发生过两次海进。在厦门地区主要发育有北东、北北东断裂和北西向断裂(如图1)。

图1 厦门岛内断裂带和球状风化体分布

综上所述，本区域球状风化体形成过程为：褶皱构造→岩浆侵入→节理形成→断块差异升降→构造裂隙带发育→水的蚀侵→球状风化体。

3 球状风化体形成因素及平面分布特点

3.1 区域构造的影响

因热胀冷缩效应，花岗岩易产生三组相互正交的节理。三组节理将岩体切割成大小不等的立方体、长方体、菱形体或不规则块体[7]。后期，因断块差异升降挤压，在局部高倾角裂隙发育密集区形成挤压裂隙带，增加了块体的表面积，同时也成为地下水的渗流通道，促进了岩块的物理和化学风化。花岗岩块体中，棱角处呈三面风化趋势，风化作用最集中；边角呈两面风化趋势，风化作用相对集中。随着风化的发展，岩块的棱角和边角逐步被圆化，岩块逐渐变小，小体积块体被风化成“土状”产物，最终形成风化槽，其中，体积大、无裂隙的块体最终形成球状风化体。

由图1可知，筼筜湖与仙岳山之间的残积台地球状风化体最为发育，主要表现为深厚的土状风化层，发育有串珠状球状风化体(如图2)，其次为殿前、高崎和钟宅一带的球状风化体，主要表现为球状风化体与基岩相伴而生(如图3)。钻探揭示：中微风化岩面分布平缓的地段球状风化体不甚发育(如图4)。另外，钻探揭示，五缘湾停车场地层微风化岩面分布平缓，未发现球状风化体，说明断裂或挤压裂隙是花岗岩球状风化体形成的必要条件。根据厦门岛的断裂构造格局及钻探资料分析，厦门岛中部筼筜湖断陷平原边缘和北部殿前、高崎到钟宅一带球状风化体最为发育。

图2 3号线人才中心站地层情况(单位：m)

图3 2号线建业路到湖滨中站区间地层情况(单位：m)

图4 2号线金融中心站到高林站地层情况(单位：m)

3.2 水的作用

无论是地表水、地下水还是海水，都对球状风化体的形成有举足轻重的作用。厦门属亚热带海洋性气候，夏、秋两季多台风暴雨，降雨量丰富，年平均降水量达1 183.4 mm。地下水或海水沿挤压裂隙带渗流，有利于促进块体的风化侵蚀。另外，钻探揭示，滨海平原区球状风化体发育数量远小于残积台地。在表层分布深厚软土层的地区，下部花岗岩风化层中球状风化体不发育。其原因为：在滨海平原区，受海水涨落潮影响，地下水流动变化频繁，主要通过溶解、水解、碳酸化和氧化作用等方式进行化学风化，大部分体积较小的球状风化体已风化成全强风化层。图5、图6为筼筜湖范围内滨海平原区的地层剖面，表现为球状风化体不发育。而残积台地地下水活动较弱，挤压破裂带只有间断性的降雨入渗，花岗岩易形成球状风化体并残留在残积土和全强风化带中。

图5 1号线文灶到湖滨东路区间地层情况(单位：m)

图6 3号线厦门火车站至湖滨东路站区间(单位：m)

3.3 矿物成分的影响

花岗岩的抗风化能力相差很大，其中石英抗风化能力最强，其次是长石，而云母、角闪石、辉石等抗风化能力较弱[8]。云母和长石类矿物易风化形成高岭石、水云母和蒙脱石等亲水性矿物，这类黏土矿物易吸水膨胀，使致密的花岗结构变得松散，加大了花岗岩的透水性。因此，后期的风化剥蚀作用也便有机可乘。另外，深层侵入的花岗岩结构密实，结晶颗粒较大，岩体抗风化能力强，易形成球状风化体。而浅层的花岗岩石英含量相对较少，长石云母含相对较多，岩体抗风化能力弱，不易形成球状风化体。厦门岛内的花岗岩主要为燕山晚期第一次侵入和第二次侵入的产物，侵入时间不同，矿物成分亦有所不同。第二次侵入岩主要分布在小东山至安兜一带，岩性为次花岗岩和潜二长花岗岩，石英含量相对较少，长石和黑云母含量相对较多，岩体抗风化能力较弱，球状风化体发育较少(如图7、图8)。

图7 3号线安兜站到湖里法院站区间(单位：m)

图8 3号线湖里法院到双十中学站区间(单位：m)

在自然界中，球状风化类似于差异风化现象，是发生在相同岩性岩体中的差异性风化。球状风化的形成，宏观上主要受区域地质构造、水文条件和气候的影响，微观上主要受矿物成分和裂隙控制。总之，花岗岩球状风化体的形成是各因素综合作用的结果。根据上述结论，结合对岛内地质状况的分析，推测了岛内球状风化发育程度分布：厦门岛中部筼筜湖断陷平原边缘和北部高崎到钟宅一带球状风化体最为发育，仙岳山到安兜一带和东南部球状风化体不发育，其它地区零星发育(如图9)。

图9 厦门岛球状风化体发育程度分区

4 花岗岩球状风化体分布规律研究

4.1 风化程度

图10 球状风化体风化程度统计

花岗岩球状风化体风化程度统计结果如图10所示，球状风化体中约2/3为微风化花岗岩，岩质坚硬，内部一般无裂隙，与相同风化程度的基岩有相近的矿物成份；余下不到1/3为中风化球状体。其中的长石成份因局部风化变色(由灰白色变为灰黄色)，强度相对较低。碎裂状强风化物仅占2%。

4.2 分布地层

花岗岩地区正常的风化层序一般为：残积土-全-强-中-微-未风化。但球状风化体的发育往往改变这种风化规律。如图11所示，球状风化体在残积层、全风化层、散体状强风化层和碎裂状强风化层均有发育，但其主要发育在全风化和散体状强风化地层，残积土次之，碎裂状强风化层发育很少，仅占8%。

图11 球状风化体分布地层统计

4.3 层顶埋深

球状风化体层顶的分布位置直接影响建筑物的布置和施工工艺。从图12可以看出，球状风化体层顶埋深总体呈正态分布，在10～20 m内出现的频率最高，接近50%。在该深度范围内，主要影响桩基施工和盾构机安全掘进。从图13可以看出，厚度大于5.0 m的球状风化体顶层埋深较浅，一般在地表下25.0 m以内，且数量发育较少。

图12 球状风化体层顶埋深统计

图13 风化球大小随埋深变化的散点分布

4.4 层顶高程

由图14可以发现，球状风化体层顶高程总体呈正态分布，主要分布在-30～0 m区间内，出现频率接近80%。此高程段以外出现的频率较低。另外，钻探揭示的厚度主要集中在0.1～5.0 m，约占全部的97%，厚度大于5.0 m的球状风化体仅占约3%，且顶层高程集中在-10～10 m之间(如图15、图16)。从基坑开挖揭露的情况来看，球状风化体往往水平轴的长度大于竖直厚度，呈椭球状。

图14 球状风化体层顶高程统计

图15 球状风化体揭示厚度统计

图16 球状风化体揭示厚度统计

5 花岗岩球状风化体的工程地质问题及对策

5.1 明挖法施工

因球状风化体的存在，明挖法施工易造成钻进速度慢、偏孔、卡钻、钻头损耗大、围护桩或墙体倾斜，以及围护结构渗漏、坑外侧水土流失、支撑受力不均等，降低了围护结构的安全性。尤其是在倾向坑内的结构界内，施作结构防水时需对倾入结构内的围护结构进行破除，严重影响基坑安全。施工时，可预先采用冲孔、地面钻孔爆破[9]等方式对球状风化体进行预处理。在成孔或成槽过程中，应定时检测其垂直度；对围护结构桩间或地连墙接头出现的渗漏进行补漏处理，并在围护结构外侧注浆或施作旋喷桩。在厦门地铁3号线湖滨东路站的地下连续墙施工中，采用了冲孔破岩方式处理球状风化体，经开挖核实，墙体质量满足要求；人才中心站和华荣路站局部桩间渗水较大，采用注浆止水后，效果较好。

5.2 浅基础差异沉降

若基坑底部存在球状风化体，易导致地基软硬不均。若采用浅基础，易形成差异沉降，导致结构底板开裂渗水，给地铁运营带来不良影响。若球状风化体部分侵入基底，应破除球状风化体，使其低于基底一定深度，再分层回填夯实，避免基底软硬不均造成的不均匀沉降。在厦门地铁3号线华荣路站，采用了碎石土回填措施，目前主体结构已完成，未出现差异沉降现象，基础和结构状态良好。

5.3 矿山法隧道围岩变形

如采用矿山法进行隧道施工，球状风化体形成的坚硬岩核与较弱土层混杂，严重加剧了工程岩土体的不均匀性，导致围岩级别较低，地下水运移条件复杂，易诱发隧道支护结构变形甚至塌方冒顶事故。通常情况下，地铁隧道埋深浅且地下水较发育，洞身围岩开挖后易受围岩不均匀影响，导致围岩变形不均匀和地下水渗透通道分布不均匀，工作面上部的球状风化体向洞室内位移，引起初期支护局部应力集中，随之出现地表下沉、初期支护大变形等工程问题[10]。因此，若遇球状风化体，应对风化层进行注浆加固，再对其进行爆破。在加固的过程中，应对球状风化体的稳定性进行监测，必要时采取有效的支承措施。爆破过程中，对用药量、爆破振动等进行控制，处理完毕后应及时施作初支结构，及时封闭成环。在深圳市轨道交通10号线南坑站至光雅园站区间的矿山法开挖施工中，采用上述处理方法，保证了隧道施工的顺利进行[11]。

5.4 盾构法隧道掘进困难

在盾构法施工过程中，如果周围地层与球状风化岩体强度差异大，将导致掘进速度缓慢，若盾构机强行掘进，往往会加大地层扰动，加大地表沉降[12]，对隧道影响范围内的建(构)筑物极其不利。另外，盾构机在球状风化体发育的地层中进行掘进，易造成刀具和刀盘的严重磨损，甚至因盾构机刀盘受力不均，导致盾构姿态波动较大。因此，在盾构法隧道掘进过程中，应对隧道范围内的球状风化体进行预处理，采取诸如地面钻孔微差爆破、冲孔或冲击法等方法进行提前破除[13]。不具备地表处理条件时，可采取洞内进舱爆破、岩石分裂机破除等方式进行处理。在厦门地区，采用盾构法施工的隧道均进行了地表钻孔爆破处理，总体来说效果较好，但勘察未发现的球状风化体对掘进的影响依然很大。

5.5 端承桩持力层选择

选择基岩作为端承桩的持力层时，若桩端落在花岗岩球状风化体上，因承受较大荷载，球状风化体可能会发生转动和不均匀沉降变形，导致桩基承载力降低。尤其是一柱一桩的结构形式，可能造成极大的工程隐患或酿成不良后果。在进行以基岩为桩端持力层的桩基施工时，应对勘察揭示的球状风化体分布特征进行分析[14]，必要时应对球状风化体发育区的桩基进行施工勘察，进一步查明球状风化体的分布范围，确保桩端嵌入基岩中。

6 结论及建议

(1)花岗岩球状风化体形成的主要因素为地质构造、水和矿物成分，是各因素综合作用的结果；受构造格局的影响，厦门岛中部筼筜湖断陷平原边缘和北部殿前、高崎到钟宅一带球状风化体最为发育，仙岳山到安兜一带和东南部球状风化体不发育，其它地区零星发育。

(2)厦门岛内约2/3的花岗岩球状风化体的风化程度为微风化，中风化花岗岩约占1/3；主要发育于全风化和散体状强风化带中。厚度主要为0.1～5.0 m，约占97%，大于5.0 m仅为约3%。

(3)厦门岛内的球状风化体层顶埋深集中在10～20 m内，接近50%，厚度大于5.0 m的球状风化体顶层埋深较浅，埋深约小于25.0 m，且数量较少。层顶高程-30～0 m内的出现频率接近80%。厚度大于5.0 m的球状风化体顶层高程集中在-10～10 m之间。

(4)球状风化体的存在大大增加了工程建设的难度。主要表现为围护结构施工困难，质量不易控制，易产生基坑安全风险；以及基础差异沉降、结构底板开裂渗水等；对于矿山法施工，易产生支护结构变形和塌方冒顶事故；盾构法施工时易导致掘进困难、地表变形大且刀盘和刀具磨损严重；若端承桩落在球状风化体上，将导致其承载力降低。

建议在花岗岩球状风化体发育区采用综合勘探方法，采用两种或两种以上的物探方法进行探测，通过钻探验证，不断总结经验和改进技术方法，提高花岗岩球状风化体探测的准确率[15]。