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红层溶蚀风化特征及其工程影响

发布日期：2012-06-13 22:00

红层溶蚀风化特征及其工程影响

摘要：长沙、株洲、湘潭地区广泛分布着第三系—白垩系泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、砾岩等软质岩石，具有成岩差、易风化、崩解等特殊性质。文章从地质环境、地层分布、岩性特征、物质组成等角度出发，通过地质勘探、室内试验、X-衍射、电测井及高密度电阻率等手段，对长沙地铁 2 号线体育公园站红层的溶蚀机理和特征进行了研究，发现溶蚀风化主要受岩性、构造作用和地下水等因素制约，分析了它对工程建设的影响，提出了相应措施，为工程设计提供了决策依据，对长株潭城市一体化的建设具有重要意义。

关键词：红层；溶蚀风化；形成机理

0 引言

红层是一种外观以红色为主色调的陆源碎屑岩，大多形成于三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪，广泛分布于我国西南、华南、华中及西北等地区^[1]。受成生时代与物源差异影响，红层的地域特性十分明显^[2-3]，但红层岩溶、溶蚀及易风化、崩解是其普遍共性，广为找水工作者与岩土工程师们所关注^[4-9]。

湘浏盆地位于湘中丘陵与洞庭湖平原过渡地带，盆地内 75%以上的基岩为白垩系—早第三系内陆湖相沉积红色碎屑岩。随着盆地内的长沙、株洲、湘潭被国务院批准为“两型社会”改革试验区，城际轨道、地铁工程如火如荼，红层已成为本地区工程建设的主要载体，长沙轨道交通 2 号线一期工程的体育公园站就位于这类基岩上。体育公园车站基坑围护结构采用旋挖桩+内支撑，施工过程中，有 6 根桩出现混凝土严重超灌。根据地质资料，通过施工勘察结合详勘成果分析，采用岩矿分析、室内试验与原位测试相结合手段，对工程场地内全风化砾岩（6-2a）的基本特性与成因进行研究，进一步完善和补充了“溶蚀风化”特征^[7]，进而分析了旋挖桩超灌原因，并对这类特殊地基土工程影响进行了探讨，提出了应对措施，取得了良好效果。

1 场地工程地质条件

1.1 区域地质背景

长沙位于乌山洼凸区，经历了槽、台、洼三大构造演化阶段，现为余动期。中生代以来，形成了NE-NNE 向展布的断隆、断陷，为红层沉积提供了古地理条件。至燕山晚期，区域上处于整体缓慢、间歇性抬升，缺失晚第三系地层，长期侵蚀、剥蚀作用，在湘江两岸形成不同级别的剥夷面和低丘岗地，第四系构造运动以差异性升降运动为主，在场地内形成了五级阶地。体育公园站位于 NE 向杨家山宽缓向斜南东冀，由白垩系泥质粉砂岩和砾岩组成，二者均为中厚层状，岩层较平缓、倾向 NWW，地面标高 35.99～47 m。

1.2 地层结构及岩性

场地地层依次为素填土（1-3）、残积粉质黏土（4-1）、强风化泥质粉砂岩（5-1）、中风化泥质粉砂岩（5-2）、强风化砾岩（6-1）、中风化砾岩（6-2）、全风化砾岩（6-2a）（表 1）。岩石中主要矿物含量见表 2及图 1。主要物理力学性质指标见表 3。

1.3 地下水

地下水由上层上层滞水和裂隙水组成，前者赋存于素填土中，初见水位 32.58～43.90 m、稳定水位32.38～41.20 m；后者赋存于全风化砾岩中，水位32.20～34.20 m。地下水补给来源主要为大气降水及地表水，迳流途径较短，水位和水量受季节性影响大，水位变幅 4～5 m。

2 溶蚀风化的基本特征

2.1 溶蚀风化的基本定义

溶蚀风化是既有溶蚀又有风化的特殊地质作用^[7]。岩性和构造是其内因、地下水是外部条件、溶蚀是其表现形式、风化则导致其最终结果。

2.2 溶蚀风化的空间分布特征

体育公园站的 49 个勘探孔中，46 个钻孔遇全风化砾岩（6-2a），剖面上呈现为“中风化—全风化—中风化”的“三明治型”（见图 2（a）），空间上全风化砾岩呈层状或条带状分布，层面产状与区域岩层产状总体一致：左线全风化层顶倾角 8.5°，向北倾斜、底板倾角约 8.33°；右线层顶倾角 8.14°、底板倾角变化较大。开挖后，全风化砾岩呈散体状（见图 2（b））。

2.3 溶蚀风化的基本特征

（1）岩性控制

据矿物分析（表 2），中风化砾岩（6-2）中方解石含量在 25%以上，局部含有一定量的铁白云石。对上述岩芯滴 5%的盐酸剧烈起泡，而全风化砾岩对盐酸则无丝毫反应。该现象说明，高含量的可溶性矿物是红层溶蚀风化的物质基础，全风化砾岩是钙质胶结物溶蚀、淋滤后的产物，若无溶蚀作用，则全风化砾岩中应残留有可溶性钙质物。全风化砾岩中残留的中风化砾岩孤石内发育的溶蚀现象是其有力证据（图3）。

（2）风化程度的突变性

场地内工程岩体的风化分带与常见的风化渐变过渡截然不同：全风化砾岩（6-2a）直接分布于中风化砾岩（6-2）之间，其上、下均无过渡的强风化砾岩层，声波测试（表 3）与电阻率测井（图 4）都反映了这点。

（3）构造控制

区内岩层总体为向北缓倾的单斜构造，砾岩呈厚层状夹于泥质粉砂岩之间，往南砾岩出露地表，并风化成厚达 45 m 的残积砾质土。剧烈的风化厚度恰与岩性突变相吻合，在高密度电阻率反演剖面上表现为低电阻率区（图 5）。说明全风化砾岩的发育与分布与岩体构造裂隙密切有关：裂隙的存在不仅破坏岩体完整性，还为地下水提供了渗流通道。

（4）风化物质的差异性

全风化砾岩残留物为结构松散的砾质土，黏粒含量 3.8%～5.7%，砾石含量 4.3%～10.8%，成分多为硅质岩、石英砂岩、石英为主。粒径以 0.5～5 mm 居多，曲率系数 C_c=1.41，不均匀系数 C_u=11.89，平均粒径d₅₀=0.81，有效粒径 D₁₀=0.091。在风化带的不同部位，黏粒和砾石含量因位置不同而不同。

2.4 成因分析

红层软岩的溶蚀机制主要有两种：一是当砾石含量远高于胶结物时，可溶性角砾的溶蚀作用；二是碎屑岩胶结物的溶蚀和潜蚀共同作用，岩石解体，砾石成为“溶洞充填物”，为“假岩溶”^[10]。本区红层砾岩溶蚀风化机理归纳如下：

（1）泥质粉砂岩与砾岩呈互层产出，构造作用形成褶皱过程中，由于不同岩性的抗拉、抗压强度的差异，脆性更强的砾岩易形成张裂隙，为地表水下渗提供了通道（即入渗带或风化淋滤带）。

（2）红层成岩期短，粒间连结力相对薄弱，砾岩中存在的可溶性矿物是溶蚀风化赖以发生的地质基础。钻探漏水现象说明全风化砾岩具有良好的渗透性，有利于地下水活动。而场地地形和地下迳流短等客观条件又决定了溶蚀作用的局限性。

（3）地下水沿张裂隙下渗后，富含可溶性矿物的砾岩成为溶蚀与潜蚀的“温床”，上覆与下伏的泥质粉砂岩则是良好隔水层，控制了地下水迳流带的展布方向，这是全风化砾岩顺层分布的根源所在。

3 旋挖桩超灌原因剖析

施工勘察表明，混凝土超灌现象最终表现为两种形式：

其一是位于全风化砾岩（6-2a）中的桩身扩径，如钻孔 ZK2、ZK6 中所揭示的混凝土出露位置在桩底标高以上，距桩体水平距离 0.9～2.5 m（图 6）。这与桩基施工记录记载的 Z6-23、Z6-10 出现成孔困难、坍孔情况，坍塌深度 19.0～22.0 m，地层为全风化砾岩（6-2a）相吻合。可见，混凝土超灌原因主要是旋挖钻机施工时护壁措施不到位，旋挖成孔对全风化砾岩层产生了扰动而塌孔，致使桩体增大，灌注量大于设计值。

其二是的桩底标高以下附近的中风化砾岩中发现混凝土，如围护结构东南角的施勘钻孔 ZK1、ZK8 揭露的混凝土芯，其上为中风化砾岩（6-2），钻孔 ZK1在混凝土下尚见全风化砾岩（6-2a）。故不能排除中风化砾岩局部存在“溶蚀风化通道”的可能，从岩性和构造条件分析，该类通道规模有限。

4 工程影响分析

4.1 对工程建设的影响

全风化砾岩是溶蚀风化产物, 结构松散，力学强度较低，抗滑、抗变形及抗渗性能差,对工程建设的影响主要表现如下：

（1）当作为基坑坑壁地层时，受水浸泡或扰动时易发生坍塌，酿成灾害。

（2）当作为取土桩的桩周土时，易发生塌孔和清渣困难，导致基桩扩径、断桩或桩底沉渣过厚等现象，影响基桩质量。

（3）当作为基础持力层时，因其水理性质较差，均匀性差,将对地基土均匀性和变形产生较大影响。

（4）当作为盾构隧道围岩时，掘进扰动可能引起地面沉降，造成地层损失。当基底围岩满足不了盾构掘进要求时盾构会发生蛇形、下沉或上浮。

4.2 工程对策

对溶蚀风化地基的处理主要从两方面考虑：一是止水防渗，二是注浆补强。前人已有成功案例可资借鉴^{[8, 11]}。

（1）基坑开挖前，宜先止水、隔水、补强，防止坑壁坍塌或影响桩壁稳定。

（2）采用泥浆护壁，控制好泥浆黏度，以解决成桩难题，确保施工质量。

（3）对站点基底的溶蚀风化土体进行固结灌浆处理，以满足地基土的强度和变形要求。

（4）对盾构穿越段，对隧道结构及其外部 3 m范围内的全风化层采用袖阀管注浆加固。

上述方案均应通过平行试验检验，以确保措施可靠、经济合理。结果表明，效果良好，目前体育公园站即将封顶。

5 结论

（1）体育公园站的全风化砾岩（6-2a）为岩性、构造和地下水共同作用形成的，既具溶蚀特征又具风化特征的“溶蚀风化”产物。其分布具有一定规律并为施工开挖所证明，这与已有报道中的溶蚀风化分布无规律并不相同^[7]，值得重视。

（2）溶蚀风化砾质土均匀性差，透水性较强，物理力学性状较差。为保证设计、施工安全，应在详细查明其分布条件下，调整施工工序，先止水后补强再进行下步工序。

（3）红层溶蚀风化具有其特殊性，加强对红层地区溶蚀风化规律研究，不仅是对传统“红层区贫水”观念的突破，也为此类地区地下空间开发、利用提供了参考。

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