砂化白云巖隧洞地質災害風險分級研究

摘要：砂化白云巖隧洞施工過程中，地質災害頻發，尤其是富水砂化白云巖隧洞施工安全風險高，嚴重影響了工期和投資。為了研究砂化白云巖隧洞地質災害風險與地質環境的內在聯系，以滇中引水工程玉溪段為例，采用統計分析法對砂化白云巖隧洞地質災害案例進行了深入研究。結果表明：砂化白云巖隧洞地質災害類型有塌方、涌突水及涌水涌砂3類；地質災害影響因素主要為斷層或擠壓帶、外水壓力以及單位洞長集水面積等；依據孕災地質條件，可將砂化白云巖隧洞地質災害風險等級劃分為極高、高、中等及一般4級。研究成果可為砂化白云巖隧洞選擇施工處理措施以及布置隧洞線方案提供技術支撐，為砂化白云巖隧洞勘察設計、施工、管理提供參考。

關 鍵 詞：砂化白云巖隧洞； 地質災害風險； 分級標準； 孕災地質條件； 施工處理措施； 滇中引水工程

中圖法分類號： TV554；P694 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.017

0 引 言

砂化白云巖是指原生沉積的白云巖在多期次構造應力、溶蝕、風化等內外動力地質作用下，造成巖體空隙增加、結構劣化、強度降低的特殊地質現象。劇烈砂化白云巖通常呈砂土狀，為孔隙介質，其礦物成分仍以白云石為主；強烈砂化白云巖結構面間距一般小于5 cm，為裂隙介質。砂化白云巖具有巖體破碎、力學強度低、富含地下水等特點。砂化白云巖隧洞施工過程中，經常發生塌方、涌突水、突水涌砂等地質災害［1-5］，如：玉蒙鐵路秀山隧道［6-7］、成昆鐵路復線吉新隧道［8］、滇中引水工程松林隧洞［9-10］、小撲隧洞、扯那苴隧洞等，施工過程中均發生了大規模的地質災害，造成施工進度慢，施工安全風險高，處理難度大以及工程投資增加。

目前，學者們在砂化白云巖隧洞成災條件以及施工風險評價方面均取得了一定的研究成果。在成災條件方面，董家興等［11］對砂化白云巖隧洞致災構造、孕災模式以及破壞類型進行了研究；張延杰等［12］分析了突水涌砂成災條件；梁駑堂等［13］研究了泥質白云巖受水浸泡后的強度變化規律；郭建強等［14］研究了泥質白云巖物理力學特性變化規律。在隧洞施工風險評價方面，常用的方法有模糊綜合評價法、層次分析法等［15-18］。毛永強等［19］研究了隧道穿越富水破碎帶的涌水突泥等級劃分標準；吳劍疆等［20］研究了項目不同階段風險評估方法；程光偉等［21］基于基本地質條件分析了項目的各項地質風險。在隧洞風險評價中，模糊綜合評價法和層次分析法的評價結果可靠性受人為因素影響較大，且不同施工單位的施工水平也存在差異，造成風險評價的難度加大、可靠性降低。

本文根據砂化白云巖隧洞地質因素對隧洞施工影響程度、誘發環境地質問題程度以及可能誘發的災害規模等，建立了砂化白云巖隧洞地質災害風險分級標準，并在不考慮施工措施的情況下，建立了地質災害風險等級與砂化白云巖隧洞孕災地質條件的對應關系，提出了不同地質災害風險等級的針對性處理措施，以為砂化白云巖隧洞勘察設計、施工、管理提供參考依據。

1 砂化白云巖隧洞施工地質災害分析

以滇中引水工程玉溪段砂化白云巖隧洞地質災害統計資料為依據進行分析，詳見圖1。玉溪段砂化白云巖隧洞段累計長度16.39 km，其中：Ⅲ類圍巖占比6.3%，Ⅳ類圍巖占比31.0%，Ⅴ類圍巖占比62.7%。砂化白云巖隧洞內共發生地質災害68次，災害頻次平均4.15次/km，災害類型有塌方、涌突水、涌水涌砂3類，其中，塌方18次、涌水涌砂14次、涌突水36次；單次最大涌砂量2 950 m3，最大涌水量57 000 m3/d，地質災害洞段最長處理時間7個月。

1.1 地質災害類型

（1） 塌方。塌方洞段埋深主要分布在130 m以下，以劇烈砂化和強烈砂化白云巖為主，總體地下水壓力較低，塌方規模主要在50 m3以下，個別劇烈砂化白云巖洞段發生大于100 m3的塌方。

（2） 涌突水。涌突水洞段埋深主要分布在100 m以上，砂化白云巖隧洞內3種地質災害類型中以涌突水災害次數最多，主要發生在強烈砂化和弱砂化白云巖洞段的破碎帶內，地下水壓力中等—高，涌突水量差異很大，最大涌突水量57 000 m3/d，涌突水量總體與地下水壓力呈正相關，地下水壓力越大，涌突水量越大。

（3） 涌水涌砂。涌水涌砂洞段埋深主要分布在100 m以上，總體與斷層或擠壓帶關系密切，14次涌水涌砂地質災害均與斷層或擠壓帶相關。以劇烈砂化白云巖為主，強烈砂化和弱砂化洞段斷層或擠壓帶分布區域也有發生，地下水壓力中等—高，單次涌砂量一般100～2 950 m3，總體劇烈砂化白云巖洞段涌水涌砂規模大，強烈砂化和弱砂化白云巖洞段涌水涌砂規模相對較小。

1.2 砂化等級與地質災害的關聯性

砂化白云巖隧洞不同砂化等級的地質災害規模與外水壓力關系詳見圖2。在本研究統計的68次地質災害中，劇烈砂化洞段15次，強烈砂化洞段42次，弱砂化洞段11次，地質災害主要發生在劇烈、強烈砂化白云巖洞段。劇烈砂化白云巖洞段地質災害類型有塌方和涌水涌砂；強烈砂化白云巖洞段地質災害類型有塌方、涌水涌砂和涌突水；弱砂化白云巖洞段地質災害類型以涌突水為主，個別洞段出現塌方和涌水涌砂。

1.3 地質災害影響因素

1.3.1 斷層或擠壓帶

砂化白云巖隧洞地質災害總體與斷層或擠壓帶關系密切，本次研究統計的68次地質災害中，有30次與斷層或擠壓帶相關，在規模較大的22次地質災害中，有15次地質災害與斷層或擠壓帶相關，尤其是14次涌水涌砂地質災害均與斷層或擠壓帶相關。而且，斷層規模、性質、活動性等因素的不同，對地質災害的影響亦有所差異。

（1） 斷層規模。區域性深大斷裂及其附近洞段往往發生大規模的地質災害；中小型斷層或擠壓帶由于影響范圍小，往往僅沿斷層或擠壓帶發生地質災害；當斷層或擠壓帶寬度為0.3～1.0 m時，常常沿著斷層或擠壓帶沖刷掏蝕形成條帶狀凹槽；當斷層或擠壓帶寬度小于0.3 m時，地質災害少見。

（2） 斷層性質。逆斷層物質成份以劇烈砂化白云巖及斷層泥為主，正斷層和平移斷層物質成份以強烈砂化白云巖及碎裂巖、角礫巖為主，總體逆斷層的性狀比正斷層和平移斷層更差，因此，在其他地質條件類似的環境下，逆斷層的地質災害發生頻次及規模均大于正斷層和平移斷層。

（3） 斷層活動性。活動斷裂易受大地構造力作用而產生錯動［22-23］，受其長期活動的影響，活動斷裂比非活動斷裂的工程地質特性更差，影響帶范圍更廣。以滇中引水工程玉溪段老尖山隧洞為例，隧洞后段穿越晚更新世活動斷裂（玉川斷裂）洞段圍巖呈砂狀，斷裂兩側的影響帶范圍大于200 m，以劇烈砂化夾強烈砂化白云巖為主，開挖揭露了多條次級斷層，隧洞圍巖穩定性極差，施工過程中出現了多次塌方災害。

1.3.2 外水壓力

由圖2可知，外水壓力大小往往影響著地質災害類型和規模，外水壓力小的情況下，地質災害發生頻次和規模均較小；外水壓力較大的情況下，地質災害發生頻次和規模亦較大。劇烈砂化白云巖洞段當外水壓力小于0.1 MPa時，地質災害主要為塌方，規模一般小于50 m3；當外水壓力大于0.1 MPa時，地質災害主要為涌水涌砂，規模一般大于100 m3。強烈砂化白云巖洞段當外水壓力小于0.5 MPa時，地質災害以塌方為主，規模一般小于50 m3；當外水壓力大于0.5 MPa時，地質災害以涌突水為主，涌水涌砂次之，尤其是當外水壓力大于0.8 MPa時，隧洞內出現特大型涌突水。弱砂化白云巖洞段當外水壓力小于0.5 MPa時，地質災害發生頻次少、且規模小；當外水壓力為0.5～1.0 MPa時，地質災害以中小型涌突水為主。

1.3.3 單位洞長地表集水面積

單位洞長地表集水面積是指隧洞穿越巖溶水系統時，可以獲得的最大地表集水面積除以巖溶水系統內的隧洞段長度，單位為km2/m。扯那苴隧洞前段砂化白云巖洞段地表集水面積約2.2 km2，大塘子隧洞砂化白云巖洞段地表集水面積約3.5 km2，單位洞長集水面積0.001 km2/m，隧洞開挖過程中以干燥、滲滴水為主，局部涌突水災害洞段涌水量（20～50） m3·d-1·m-1。小撲隧洞、螺峰山隧洞出口砂化白云巖洞段開挖過程中滲水量一般為（5～20） m3·d-1·m-1，以線狀流水為主，其中，小撲隧洞王家灣-段七段地表集水面積約19 km2，螺峰山隧洞出口地表集水面積約1.8 km2，單位洞長地表集水面積0.004 km2/m，涌突水災害洞段涌水量（20～1 000） m3·d-1·m-1，局部出現涌水涌砂現象；小撲隧洞堰塘段地表集水面積約6.9 km2，單位洞長地表集水面積0.006 km2/m，涌突水災害洞段涌水量一般為（345～2 160） m3·d-1·m-1，局部出現涌水涌砂現象。扯那苴隧洞后段砂化白云巖洞段地表集水面積約35.5 km2，單位洞長地表集水面積0.013 km2/m，隧洞開挖過程中涌突水、涌水涌砂地質災害頻發，且地質災害規模大，最大涌砂量2 890 m3，最大涌水量達57 000 m3·d-1·m-1，總涌水量超過2 000萬m3。

2 砂化白云巖隧洞地質災害風險分級

2.1 隧洞地質災害風險分級標準

根據砂化白云巖隧洞地質因素對施工影響程度、對環境影響程度及可能誘發的災害規模等，將砂化白云巖隧洞地質災害風險等級劃分為4個等級：極高、高、中等、一般，詳見表1。

2.2 砂化白云巖隧洞孕災地質條件

根據砂化白云巖隧洞地質災害類型和地質災害影響因素分析，不同砂化等級白云巖、斷層或擠壓帶是地質災害的物質來源，地下水是地質災害的動力條件，在水巖耦合作用下，砂化白云巖隧洞地質災害易發，因此，地質條件是砂化白云巖隧洞地質災害發生的基礎條件。根據砂化白云巖隧洞地質災害風險分級標準，在不考慮施工條件、人為因素的情況下，建立了地質災害風險等級與孕災地質條件的對應表，如表2所列。

從表1～2可知：① 隧洞穿越區域大型斷層、外水壓力大于0.3 MPa的劇烈砂化洞段或外水壓力大于0.8 MPa的強烈砂化洞段，可能誘發特大型涌砂或塌方災害，當單位洞長地表集水面積大于0.01 km2/m時，表明地下水補給豐富，可能誘發特大型涌突水災害，地質災害風險極高。② 隧洞穿越小斷層或擠壓帶、干燥的劇烈砂化洞段或外水壓力不大于0.1 MPa的強烈砂化洞段或外水壓力不大于0.5 MPa的弱—微砂化洞段，局部有小型涌砂或塌方，當單位洞長地表集水面積不大于0.001 km2/m時，表明地下水補給很小，地下水狀態為線狀流水、滲滴水或干燥，地質災害風險一般。③ 介于上述兩種情況之間時，地質災害風險為高—中等。砂化白云巖隧洞設計、施工過程中，可根據孕災地質條件研判隧洞的地質災害風險等級，采取針對性的應對措施。

3 工程應用

3.1 施工處理措施

3.1.1 超前地質預報

砂化白云巖隧洞掘進施工應遵循“逢挖必探”的原則，超前地質預報主要針對掌子面前方構造發育情況、砂化等級情況以及地下水賦存、活動條件進行預測，并根據地質條件分析其可能的影響程度，預測地質災害風險等級。

3.1.2 不同風險等級洞段施工處理措施

（1） Ⅰ級風險洞段：采用高壓超前預固結灌漿，超前大管棚+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐進行初期支護，必要時，可考慮地表鉆孔（井）降水結合洞內泄水孔的降水措施，降低施工地質災害風險等級，劇烈砂化白云巖洞段應進行底板硬化。

（2） Ⅱ級風險洞段：采用超前大管棚+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐進行初期支護，設置排水孔，劇烈砂化白云巖洞段應進行底板硬化。

（3） Ⅲ級風險洞段：超前小導管+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐進行初期支護，設置排水孔，劇烈砂化白云巖洞段應進行底板硬化。

（4） Ⅳ級風險洞段：超前錨桿+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐進行初期支護，根據需要設置排水孔，劇烈砂化白云巖洞段應進行底板硬化。

3.2 關鍵隧洞段改線論證

扯那苴隧洞穿越砂化白云巖地層，1號支洞下游工作面多次發生大規模涌水涌砂，20個月僅掘進40 m；隧洞出口工作面多次發生特大型涌突水，最大涌水量達5.7萬m3/d，總涌水量超2 000萬m3，22個月僅掘進67 m。隧洞施工進展緩慢，處理難度大。工程投資高，施工安全風險高，是滇中引水工程全線的“卡脖子”工程之一。

3.2.1 扯那苴隧洞地質概況

隧址區地層巖性主要有Zbdn薄層狀白云巖，Zbd上部為厚約100～120 m的中厚層狀長石石英砂巖、頁巖，下部為薄層狀白云巖。白云巖以強烈砂化為主，局部為劇烈砂化，長石石英砂巖、頁巖以強—弱風化為主。隧洞東側為小江斷裂（全新世活動斷裂），西側為普渡河斷裂（晚更新世活動斷裂），北側緊鄰玉川斷裂（晚更新世活動斷裂），南側緊鄰玉通斷裂，隧洞直接穿越區域性斷裂（FⅥ-88），沿線次級斷裂發育。隧洞前段及末端穿越Zbdn白云巖洞段多位于地下水位以上，隧洞中后段穿越Zbd下部白云巖洞段地下水豐富，外水壓力0.7～0.9 MPa，具有承壓性。

3.2.2 巖溶水文地質單元精細化劃分

扯那苴隧洞巖溶水文地質單元分區詳見圖3和表3，隧址區及其周邊為矣文巖溶水系統（Ⅲ-3）和星云湖南岸巖溶水系統（Ⅱ-4），根據隧址區地形地貌、地層巖性、地質構造等地形地質條件，可將隧址區及其周邊區域進一步精細化劃分為6個巖溶水子系統。

3.2.3 原方案隧洞主要地質問題

隧洞剩余未開挖洞段長約2 537.5 m，均在Zbd下部的白云巖內，以強烈砂化為主，夾劇烈砂化和弱砂化，圍巖透水性強，隧洞本區千斤坡巖溶水系統的地表集水面積為13.0 km2，年補給量約515萬m3，遠小于隧洞實際涌水量，需要消耗地下水靜儲量，并襲奪唐磨德巖溶水系統、白龍潭巖溶水系統的地下水，地表集水面積大。根據鉆探、物探成果分析，劇烈—強烈砂化白云巖、斷層帶、破碎帶與富水帶等疊加的洞段長度約760 m，地下水豐富、外水壓力0.7～0.9 MPa，地質災害風險等級為Ⅰ級，其余洞段地質災害風險等級為Ⅱ級，隧洞開挖極易發生涌水涌砂和涌突水等地質災害，施工處理難度大、施工安全風險高，且存在地下水環境影響問題。

3.2.4 改線方案擬定及地質評價

隧洞西側為小官山巖溶水系統，受區域性斷裂（FⅥ-88）和Zbd上部厚約100～120 m的長石石英砂巖、頁巖阻隔，小官山巖溶水系統內地下水直接向九溪盆地排泄，總體地下水位低。改線方案擬定的思路是依托Zbd上部的長石石英砂巖、頁巖作為隔水層，避讓地下水豐富、外水壓力高的千斤坡巖溶水系統，隧洞從地下水位低的小官山巖溶水系統穿越，可以大幅度降低隧洞地質災害風險等級。因此，擬定的改線方案隧洞兩端均退回至Zbd上部的長石石英砂巖、頁巖地層內，將洞線向西側偏移150～200 m，如圖4所示。隧洞改線段主要穿越地層為Zbd上部長石石英砂巖、頁巖及Zbdn白云巖，白云巖為強烈砂化，長石石英砂巖、頁巖以弱風化為主，隧洞穿越小官山巖溶水系統，地下水位低，隧洞穿越FⅥ-88斷裂洞段地質災害風險等級為Ⅰ級，長約50 m，其余洞段地質災害風險等級以Ⅲ、Ⅳ級為主，局部穿越中型斷層洞段地質災害風險等級為Ⅱ級，因此，改線方案隧洞地質災害風險等級比原方案大幅度降低。

3.2.5 開挖驗證

改線后隧洞開挖過程中，穿越FⅥ-88斷裂洞段提前采取超前固結灌漿、強支護等措施，其余洞段以滲水、滴水為主，地質災害風險等級主要為Ⅳ級，安全、快速完成了改線段的開挖施工，比計劃工期提前158 d順利貫通，實踐證明改線方案是成功的。

4 結 論

（1） 砂化白云巖隧洞地質災害類型有塌方、涌突水、涌水涌砂3類，砂化等級與地質災害密切相關，地質災害影響因素主要為斷層或擠壓帶、外水壓力以及單位洞長集水面積等。

（2） 根據砂化白云巖隧洞地質因素對施工影響程度、對環境影響程度以及可能誘發的災害規模等，建立了砂化白云巖隧洞地質災害風險分級標準，將砂化白云巖隧洞地質災害風險等級劃分為極高、高、中等、一般4個等級。

（3） 在不考慮施工措施的情況下，建立了風險等級與孕災地質條件的對應表，砂化白云巖隧洞設計、施工過程中，可根據孕災地質條件研判隧洞的地質災害風險等級。

（4） Ⅰ級風險洞段采用高壓超前預固結灌漿+超前大管棚+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐，必要時采取降水措施，Ⅱ級風險洞段采用超前大管棚+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐+排水孔，Ⅲ級風險洞段采用超前小導管+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐+排水孔，Ⅳ級風險洞段采用超前錨桿+掛網+系統錨桿+系統鋼支撐+排水孔。

（5） 在特定的地質條件下，可考慮將隧洞線調整為從地質災害風險等級較低的區域穿越，從而實現安全、快速施工。

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（編輯：劉 媛）

Study on risk classification of geological hazards in sandy dolomite tunnel

MI Jian1，TANG Jun2，DAI Chongrui3，DONG Jiaxing4，XU Zhengbo5

（1.Yunnan Institute of Water ＆ Hydropower Engineering Investigation，Design and Research，Kunming 650021，China； 2.Central Yunnan Water Diversion Construction Administration Bureau，Kunming 650000，China； 3.China Railway ERJU 1st Engineering Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China； 4.Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China； 5.China Railway Tunnel Stock Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：

Geological disasters occur frequently in construction of sandy dolomite tunnels，in particular，the construction safety risk of water-rich sandy dolomite tunnels is high，which seriously restricted construction period and increased investment.In order to study the internal relationship between geological disaster risk and geological environment of sandy dolomite tunnels，taking Yuxi section of the Central Yunnan Water Diversion Project as an example，the geological disaster cases of sandy dolomite tunnels were deeply studied by statistical analysis method.The results showed that there were three types of geological disasters in the sandy dolomite tunnel，including collapse，water inrush and water and sand gushing；the main influencing factors of geological disasters were fault or compression zone，external water pressure and catchment area per unit length of the cave；according to the geological conditions of the disaster，the geological disaster risk level of the sandy dolomite tunnel was divided into four levels，extremely high，high，medium and general.The research results can provide technical support for selection of construction treatment measures and the arrangement of tunnel line schemes for sandy dolomite tunnels，and provide reference for the investigation，design，construction and management of sandy dolomite tunnels.

Key words：

sandy dolomite tunnel； geological disaster risk； grading standard； disaster-pregnant geological environment； construction treatment measures； Central Yunnan Water Diversion Project

收稿日期：2024-07-24 ；接受日期：2024-10-10

基金項目：云南省重大科技專項計劃項目（202002AF080003）

作者簡介：米 健，男，正高級工程師，碩士，主要從事工程地質與水文地質工作。E-mail：mijian2000@126.com

通信作者：唐 俊，男，高級工程師，主要從事水利水電工程建設管理工作。E-mail：85619355@qq.com