砂化白云岩工程地质特性初步研究
作者简介：李建国 （1968—），彝族，高级工程师，水文地质及工程地质专业，从事水利水电工程勘测设计工作。
摘要：本文以滇中引水工程为研究对象，结合地层时代、岩石结构、地质构造背景以及溶蚀、风化作用等因素，从平面和空间上分析了砂化白云岩的分布规律。同时利用现场原位试验、室内试验以及物探等手段，对砂化白云岩的矿物成分、岩体完整性、岩体声波特征、岩体物理力学性质以及岩体渗透特性等工程地质特性进行了研究。在此基础上，将白云岩砂化程度划分为剧烈、强烈、中等、微新四个等级，并依据白云岩砂化程度进行隧洞围岩工程地质分类。
关键词：白云岩 工程地质特性 砂化程度 围岩分类
1 引言
白云岩砂化是一类较为特殊的地质现象，据统计，在我国西南地区的四川省、贵州省以及云南省的东川—寻甸—昆明—玉溪、保山等地均遇到过砂化白云岩所带来的一系列工程地质问题。目前关于白云岩砂化机理及其工程特性、工程效应、变形破坏机制、工程处理措施等方面的研究成果较少。张良喜等通过野外调查及室内实验研究认为：白云岩砂化是白云岩分布区一种特殊的岩溶地质现象。本文认为：白云岩砂化是微晶—细晶结构白云岩，在经历多期构造运动的复杂地质构造环境下、受溶蚀和风化的共同作用而导致岩体风化成细砂状、砂砾状或碎块状，岩体质量大幅降低的一种特殊地质现象。
砂化白云岩地区隧洞围岩不稳定，地下水位以下洞段易产生隧洞塌方和涌水、涌砂等工程地质问题，给隧洞开挖带来较多的施工困难，增加了工程投资，延长了施工周期。如：通海调蓄水工程隧洞全长约7.5km，穿越砂化白云岩洞段出现70余次较大的塌方，最大塌方段长20m，塌方高度35m，地表形成塌陷坑，最大涌水量45～100L/s，涌出白云岩颗粒、碎屑，粒径1～15mm不等，涌砂长度达28～75m，个别塌方段施工处理用时长达半年以上；昆河铁路通海秀山隧道全长10.3km、汉邑村隧道全长6.7km，通过的砂化白云岩洞段占隧道总长的80%以上，Ⅳ类、Ⅴ类围岩占隧道总长的90%，其中秀山隧道涌水量15.5万m3/d，最大涌水量23.5万m3/d，给施工带来较大困难，且存在地下水环境影响问题。因此，认识白云岩砂化现象及砂化白云岩的工程地质特性，已成为亟须解决的重要工程地质问题。
2 工程地质概况
滇中引水工程输水总干渠玉溪段位于金沙江、南盘江（珠江）水系分水岭地带，途经云南省昆明市晋宁区、玉溪市江川区及通海县，全长约77km，设计引水流量40～20m3/s。
工程区位于扬子准地台的滇东台褶带之昆明台褶束，地震动峰值加速度为（0.2～0.3）g，地震基本烈度为Ⅷ度，区域构造稳定性较差—差。工程区地质构造复杂，发育有普渡河断裂、小江断裂、玉川断裂、曲江断裂等区域性活动断裂。沿线主要有泥岩、砂岩、灰岩、白云岩以及板岩、玄武岩等，隧洞穿越砂化白云岩洞段长约14.4km，白云岩砂化这一特殊地质现象带来的隧洞围岩稳定、涌水、涌砂等工程地质问题在本段较为突出。
3 白云岩砂化程度分级
结合砂化白云岩的工程地质特性以及试验成果，初步确定了白云岩砂化程度的分级标准及与围岩关系（表1）。
表1 白云岩砂化程度分级表
根据勘探钻孔揭露：工程区剧烈砂化底界为70～90m；强烈砂化底界一般为150～180m，局部地段超过200m；中等砂化白云岩底界一般大于200m。
玉溪段输水总干渠隧洞总体位于地下水位以下，根据白云岩的砂化程度对隧洞围岩进行工程地质分类如下：剧烈砂化洞段围岩为Ⅴ类；强烈砂化洞段围岩以Ⅴ类为主夹Ⅳ类；中等砂化洞段围岩以Ⅳ类为主夹Ⅲ类、Ⅴ类（图1～图3）。
图1 剧烈砂化白云岩岩芯
图2 强烈砂化白云岩岩芯
图3 中等砂化白云岩岩芯
4 砂化白云岩分布规律
工程区白云岩砂化现象总体受地层时代、地层岩性、地质构造背景以及溶蚀、风化作用等因素控制，总体呈现平面不均一性、垂直成层性的分布特点。
从地层时代来看，沿线分布的砂化白云岩主要为太古界震旦系（Zbdn、Zbd）白云岩地层，局部地段为古生界泥盆系（D3）白云岩地层。
从岩石结构来看，以微晶—细晶结构为主的砂质白云岩、白云岩砂化现象更为普遍，砂化程度更为强烈。
从地质构造背景来看，工程区位于普渡河断裂、小江断裂、曲江断裂夹持地区，多期构造运动强烈。砂化白云岩主要分布于断裂、褶皱构造附近，或者直接穿越这些地质构造，白云岩受地质构造的影响，岩体节理、劈理、微裂隙极发育，岩体极破碎。
从风化作用来看，上部白云岩总体受风化、溶蚀作用强烈，而深部白云岩受风化、溶蚀作用相对较弱，因此，白云岩砂化程度总体上随隧洞埋深的增加减弱，局部地段具囊状、透镜状、裂隙条带状宽度不等的不均匀砂化特征。
5 砂化白云岩工程地质特性
5.1 岩石矿物成分
砂化白云岩岩矿鉴定成果（表2）表明：白云岩总体以微晶—细晶结构为主，晶粒为0.03～0.2mm。
5.2 岩体完整性
（1）钻孔RQD值。砂化白云岩钻孔RQD统计结果（表3）表明：强烈砂化白云岩RQD一般为6.15%～16.64%，中等砂化白云岩RQD一般为31.44%～44.70%。
表2 岩矿鉴定成果汇总表
表3 砂化白云岩钻孔RQD统计表
（2）颗粒级配。砂化白云岩颗分试验成果（表4）表明：剧烈砂化白云岩均以细砂粒为主，含量达75%～92%，无黏、胶粒组；强烈砂化白云岩以角砾组为主，含量达68%～87%，砂—粉粒次之，少量黏、胶粒组。
表4 砂化白云岩颗分试验成果表
5.3 岩体声波特征
钻孔、平洞声波测试成果（表5）表明：剧烈砂化白云岩纵波速一般小于1000m/s；强烈砂化白云岩纵波速一般为1244～2890m/s，完整性系数为0.05～0.15；中等砂化白云岩纵波速一般为2556～4150m/s，完整性系数为0.15～0.35。
表5 砂化白云岩声波测试成果统计表
5.4 岩体物理力学性质
现场岩体直剪、变形试验及室内岩块试验成果（表6～表8）表明：中等砂化白云岩为坚硬岩，强烈砂化白云岩变形模量、抗剪（断）强度总体较低；强烈砂化与中等砂化白云岩强度关系如下：
C强=0.45C中，f强=0.77f中，E0强=0.49E0中，Es强=0.69Es中。
表6 岩体直剪试验成果汇总表
表7 岩体变形试验成果汇总表
表8 中等砂化白云岩岩块样物理力学试验结果
5.5 岩体渗透特性
砂化白云岩地段钻孔压水试验成果表明：砂化白云岩段岩体以弱—中等透水性为主，透水率一般为2～10Lu，部分为10～30Lu，最大为35Lu。据隧洞涌水量预测成果，砂化白云岩洞段正常涌水量一般为15.7～49m3/(d·m)，最大涌水量为40～142m3/(d·m)。
6 结语
（1）白云岩砂化现象总体受地层时代、地层岩性、地质构造背景以及溶蚀、风化作用等因素控制。
（2）砂化白云岩以微晶—细晶结构为主，砂化后多为细砂—角砾状。
（3）砂化白云岩岩体波速急剧衰减、完整程度显著变差、力学强度大幅降低。
（4）砂化白云岩岩体以弱—中等透水为主。
参考文献
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［2］ 李书静.铁路富水、破碎白云岩隧道施工方法探讨［J］.铁道工程学报，2013，30(1)：61-65.
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