棋盤石隧道3號橫洞巖溶及巖溶水分析

周青爽　尹士清

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

向莆鐵路棋盤石隧道位于福建省尤溪縣城東南，起迄里程為DK400+988～DK411+796，全長10 808 m，為雙線隧道，單面上坡，最大埋深770 m，進出口路肩設計高程分別為184.44 m、266.68 m。棋盤石隧道是全線唯一的巖溶隧道，被鐵道部列為向莆鐵路2個重點高風險隧道之一。該隧道設置3個輔助坑道，其中3號橫洞設計全長2 140 m，橫洞和正洞交點里程為DK409+000，縱坡為3‰。該隧道于2008年10月1日開工，2011年12月10日貫通。

1　地質背景

1.1　地層巖性

在隧址區的東南部和3號橫洞附近山斗坑一帶，主要分布前震旦系變質巖，周邊主要分布侏羅系的火山巖和碎屑巖，以及局部零星出露的二疊系地層，現從新至老簡要分述如下。

(1)侏羅系地層

①上統南園組第二段(J3n2)：流紋質(含角礫)晶屑凝灰熔巖、熔結凝灰巖、流紋巖等。

②上統長林組(J3c)：含礫中粗-細粒長石巖屑砂巖、粉砂巖、局部夾泥巖等。

③下統梨山組(J1l)：中細粒長石石英砂巖、粉砂巖等。

(2)二疊系地層

①下統童子巖組第一段(P1t1)：細粒石英砂巖，夾粉砂巖、泥巖及煤層煤線。

②下統棲霞組(P1q)：生物碎屑灰巖夾粉砂巖、泥巖及燧石條帶。

(3)前震旦系地層

①龍北溪組上段(AnZl2)：云母石英片巖，夾條帶狀石英巖。

②龍北溪組下段(AnZl1)：大理巖、滑石化白云質大理巖、條帶狀石英巖，夾云母石英片巖、石英滑石巖等。

③東巖組(AnZdy)：綠泥片巖、黑云片巖，夾條帶狀石英巖，偶見斜長角閃巖。

(4)巖脈

巖脈多沿斷裂或節理裂隙密集帶侵入，規模小，主要為花崗斑巖、輝綠巖、玄武巖等。

1.2　地質構造背景

棋盤石隧道處于閩西南拗陷帶和閩東火山斷坳帶交匯部位，區域性政和—大埔北東向斷裂斜貫全區。本區以北東向構造為主，北西向和南北向構造次之。在隧址區的東南部正洞DK408+074～DK410+855和3號橫洞附近山斗坑一帶，由前震旦系變質巖地層組成倒轉平臥褶皺[1](見圖1、圖2)。

圖1　3號橫洞及正洞附近1∶5萬地質

圖2　B-B＇1∶5萬地質剖面

侏羅系等地層不整合覆于前震旦系地層之上，或與其呈斷層接觸(見圖1)。

1.3　巖溶水文地質

(1)地表巖溶水文情況

侏羅系火山熔巖、火山碎屑巖高地圈圍低處的、老的前震旦系地層，構成“構造窗”，組成封閉洼地；封閉洼地由前震旦系AnZl1大理巖為主體形成平臥褶皺(圖2)，因經受長期強烈擠壓變動，巖體節理裂隙發育，是良好的裂隙、溶隙儲水構造，其匯水面積約12.9 km2。排泄基準面為隧道右側(南面)封閉洼地“布袋”式窄口處，福廷坑河谷高程為224 m，是封閉洼地地表水、地下水向外排泄的唯一出口，控制大理巖巖溶水動力剝蝕面和巖溶發育深度(圖1)。

在3號橫洞和附近正洞山體上沒有發現水庫、塘堰、水井，當地村民生活飲用水均取自山溝中的山泉水和溪水；F9-1、F9斷層通過的溝谷在3號橫洞線位附近及溝谷下游形成了一個小型巖溶洼地，寬約310 m，長約500 m，洼地的下邊界就是AnZl1/AnZl2巖性分界線。

在F9-1斷層通過的小溪，流經巖溶小洼地時流量開始減小直至斷流，在其下游約700m的地方有一個溶隙管道流出口，有地下水流出，當地村民在此引水飲用。在3號橫洞和正洞DK408+074～DK410+855附近地表其他地方可見大理巖溶蝕形成的溶隙、溶槽，局部可見溶洞。

走訪調查當地村民得知，F9、F9-1斷層的兩條小溪在小洼地上緣簡易公路附近常年有水。

(2)隧道勘察期間巖溶揭示情況

棋盤石隧道工程地質勘察在洞身可溶巖(大理巖、灰巖)地段共實施5孔機動鉆探，其中3孔見溶洞(表1)，洞內存在巖溶水，鉆孔已揭示的溶洞底板最低高程仍高出隧道軌頂102 m，高出當地區域侵蝕基準面137 m[2]。

表1　鉆孔溶洞發育情況一覽

1.4　橫洞巖溶地質情況

3號橫洞洞身圍巖主要為前震旦系龍北溪組下段(AnZl1)的大理巖夾條帶狀石英巖、云母石英片巖，洞身有F9和F9-1斷層穿過，且位于一大型倒轉褶皺的核部附近，次級構造發育(圖3)。

圖3　3號橫洞地質縱斷面

2　橫洞施工情況

2.1　開挖揭示情況

(1)2009年8月5日下午，3號橫洞開挖至H3DK0+894時，工作面左側處發現有一豎向小斷層，斷層寬約0.5～1 m，斷層帶中間見綠色蝕變，有股狀水流出，只有左側上部一個超前炮孔有成股水流出，沒有壓力。放炮開挖出碴后，工作面右拱腳有大量水攜帶泥沙涌出，水質渾濁，溶洞出水口有一定的壓力。8月5日晚上21：00放炮，出水量沒有增加，出碴完成后，發現溶洞向左側發展，工作面左側墻腳出現涌水，水質混濁，估計涌水量45 m3/min，遂停止掘進施工，及時進行初期支護。8月6日6:00，開挖至H3DK0+891時，工作面左側下部出現大量涌水，現場施工人員全部撤離。后涌水量持續增加，至上午10：00增大到260 m3/min，直到當天下午19：00左右，水量開始逐步減小。

(2)8月7日中午，裝載機載人進洞調查涌水情況，在H3DK0+891底部左側墻角有一股水冒出，急流水的寬度為1.2 m，另外工作面前方底板以上1m范圍全部塌空，塌空部分前方約2.5 m，寬度約3.3 m。根據流水的方向觀察，水源來自左上側，水質混濁，夾雜大量碎石和粉細砂等，實測出水口水溫19.5 ℃。

(3)涌水量減小后，在確保安全的前提下，于8日安排隊伍在工作面H3DK0+891處進行TSP203、地質雷達和超前水平鉆探。

在工作面上布置5個超前水平鉆孔，長30 m，在鉆探過程中均沒有水流出。鉆探結果顯示，3號橫洞工作面前方2～10 m范圍有兩處空腔，空腔內無水和泥漿等物質充填，其余地段局部存在溶隙、溶槽等。地質雷達和TSP203預報結果與超前水平鉆孔的情況基本一致。

(4)8月14日工作面共放小炮兩次，洞口完全炸開，溶洞及坍體高度自橫洞底板計算約17 m，由于溶洞頂部有填充物和石塊掉落，橫洞底板以下沒有探測深度，溶洞及坍體寬度約13 m，洞頂上方有一小股水落下來，流量約0.2～0.3 m3/min，溶洞內填充物為硬塑狀的泥土夾碎石和少量塊石等，碎石和石塊棱角尖銳；至16日坍塌高度大于25 m，寬度大于16 m，向橫洞前方溶洞長度不斷發展；至18日凌晨，坍塌體已將工作面溶洞口填滿。

2.2　溶洞涌水量變化情況

3號橫洞溶洞涌水發生后，在橫洞口建立了流量觀測站，進行涌水量的長期監測工作。9月4日之前監測頻率為每小時一次，最大涌水量出現在8月6日10時，為260 m3/min。8月23日之前涌水量出現幾次起伏，幾次小峰值涌水量在120～18 m3/min之間，8月23日后涌水量逐漸減小并趨于穩定，9月上旬為7～8 m3/min。自2009年9月中旬至2011年底涌水量一直保持在5～6 m3/min，水質清澈，溶洞頂部坍塌基本停止。其中2009年8月23日23時之前累計涌水量達到53.4萬m3。

2.3　繞行洞、叉洞及正洞施工地質情況

(1)后期開挖地質情況

2009年8月18日，向莆鐵路股份有限公司召開了棋盤石隧道3號橫洞溶洞處理方案專家研討會，決定3號橫洞自工作面退后100 m左右，向右開設支洞繞行通過，并增開一個工作面。

3號橫洞繞行洞、分叉支洞及附近正洞變質巖區洞身開挖大部分揭示幾乎全是灰白色的大理巖。在開挖施工中，也遇見幾個斷層，包括F9-1、F9、F8等。這些斷層多以壓扭性為主，斷層帶內角礫之間填充膠結密實，導水性差，尤其是區域性斷裂F8，在斷裂帶及其周邊見輝綠巖脈侵入，在勘察期間的多個鉆孔中也有揭示。

(2)施工揭示的巖溶情況

3號橫洞、繞行洞、開叉支洞及正洞的開挖施工過程中共揭示較大的巖溶點6處，其中2處溶洞，4處大溶隙，溶洞、溶隙內有部分堆積物，寬度<0.3 m或水量很小的溶隙沒有統計。3號橫洞溶洞涌水發生后，在此之前已經揭示的2個溶隙流量和水壓均大幅降低，繞行洞和正洞施工中揭示的3處巖溶點水量很小，沒有水壓，尤其是正洞DK408+122工作面揭示3個小溶洞，最大口徑約2m，但洞內除了一點殘留的積水外，沒有外來水補給，但其周邊的溶隙流水痕跡明顯。

通過各巖溶點的流量、水壓分析，這6個巖溶點均屬于同一個巖溶水系統，由于3號橫洞H3DK0+888.5溶洞大量涌水，排空了溶洞和與其相通的溶洞、溶隙管道內的大部分積水，導致后期揭示的巖溶點水量很小。

3　相關分析

3.1　地形地貌及儲水構造

從當地1∶5萬、1∶1萬地形圖和現場實地調查可以發現，山斗坑附近的前震旦系變質巖地層分布范圍較小，面積不足10 km2；在變質巖周邊3個方向為高山環繞，西邊為區域內最高峰上謝頂1 021 m、北邊下橋山792.3 m、東邊金堂嶺624 m，最南邊福廷坑處河谷最低高程約224 m，僅在該處形成一個小缺口，寬度不足300 m。從地形地貌上看，山斗坑地區由前震旦系AnZl1大理巖主體組成一個小盆地(封閉洼地)，南北向最長約5 km，東西向最寬約2.5 km，在盆地(封閉洼地)周邊環繞的分水嶺區域內，所有的地表徑流形成的山澗小溪均流向盆地中央，匯集成一條近南北向的小河，在福廷坑處排泄到盆地外面。

構造盆地是由前震旦系大理巖地層為主體組成的、獨立的裂隙-溶隙型儲水構造，地下水的滲流方向和地表水排泄方向基本一致。處在封閉洼地窄口的福廷坑附近的河水面高程是儲水構造最低排泄基準面。

3.2　巖溶成因

(1)3號橫洞、繞行洞、分叉支洞及附近正洞洞身開挖揭示為大片的大理巖，屬于可溶巖。

(2)隧址區內斷裂及平臥褶皺構造發育，巖體較破碎，為地下水的運移和儲存創造了條件。

(3)可溶巖組成匯水封閉洼地、承接12.9 km2匯水面積降雨入滲補給，降雨充沛且位于一個構造盆地，地表、地下水徑流補給充足。

以上3條具備巖溶發育的充分必要條件。

3.3　洞內涌水與地表水的關系

(1)3號橫洞2009年8月6日涌水發生后，立即開展了地表水和巖溶的補充調查工作，查明：3號橫洞溶洞頂的地表就在F9-1溝谷的小溪附近，下游溶隙管道流出口及所在的小溪早已干涸。15日大暴雨后，16日下午溶隙管道出口及所在的小溪均有流水，說明洞內涌水與小溪水量增減關系不明顯。

(2)16日下午在橫洞左側上游簡易公路邊實測F9、F9-1斷層兩條小溪的流量分別為0.8 m3/min和0.1 m3/min，在線路左側另有兩條小水溝流量很小，沒有實測，總計有4條小溪于H3DK0+800右側180 m附近匯集到一起，下游的溶隙管道流及所在小溪的總流量約為0.7 m3/min，未因洞內涌水而出現斷流或水量明顯變化。

(3)9月3日，在地表小溪斷流處上游用高錳酸鉀進行了3次示蹤試驗，在3號橫洞溶洞涌水處沒有發現水體顏色變化的跡象，表明地表水與洞內涌水無水力聯系。

(4)溶洞涌水發生后，在工作面出水口多次實測水溫為19.5～20 ℃，明顯比洞外的溪水溫度低；8月8日至10日當地恰遇“莫拉可”臺風，連續強降雨，累計最大降雨量達400 mm，溶洞涌水量仍然不斷減小。

(5)2009年9月中旬至2011年底期間，經歷3個雨季、多次強降雨和2011年上半年持續干旱，3號橫洞溶洞涌水量一直維持在5～6 m3/min，波動很小，不受季節變換、干旱降雨的影響。

以上調查、試驗和流量監測結果均表明，3號橫洞的溶洞較為封閉，與地表水體和溶隙管道流的水力聯系很差。

3.4　巖溶水水動力剖面

通過收集地質勘察、施工開挖和溶洞涌水后的地面補充調查資料，分析繪制出沿溶隙管道流、F9-1斷裂所在的溝谷地質剖面和巖溶發育示意圖(圖4)。

圖4　地表水斷流所在的溝谷地質剖面和巖溶發育示意

3號橫洞溶洞涌水處的洞室底板高程為242.16 m，地表水斷流處高程為404 m，橫洞埋深為161.8 m，溶隙管道流出口高程287.35 m，最近的河流侵蝕基準面為福廷坑處小溪河床，其高程約224 m。當地位于南方，降雨豐沛、地表植被茂盛，地下水位埋深較淺，一般每條溝谷均發育有規模不等的小溪，在巖溶洼地上緣、簡易公路附近的四條溝谷內的小溪常年不斷流。根據鉆探資料，即使在山坡上一般的地下水位埋深也小于30 m。可見3號橫洞溶洞涌水處位于當地巖溶水水平流動帶以下的深部循環帶。

3.5　涌水的來源分析

涌水初期的2次涌水過程，粗略估算約29.9萬m3靜態水可能來自溶隙腔體及其有密切關聯的溶隙網絡的三維充水體；因為橫洞涌水處在深部循環帶，當靜態水泄盡后，得到深部溶隙水的補給，其涌水量保持穩定，降雨影響甚微。

4　結論

(1)棋盤石3號橫洞處在一個周邊被侏羅系阻水層包圍圈閉，以前震旦系AnZl1大理巖為主體的構造盆地，地貌顯示現為封閉“袋狀”洼地，承接匯聚周邊匯水面積的降雨入滲補給，構成獨立的平臥向斜裂隙-溶隙儲水構造。

(2)橫洞處在巖溶水的深部循環帶，初期泄盡靜態水后得到深部溶隙水的補給，涌水量保持穩定。

(3)儲水構造是一個相對封閉、獨立的巖溶水系統，設計、施工時應高度重視，并采取綜合超前地質預報和應急防范措施。

[1]福建省地質礦產局.中華人民共和國1∶5萬地質圖G-50-69-C[R].福州：福建省地質礦產局，1995

[2]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.向莆鐵路補充定測棋盤石隧道工程地質勘察報告[R].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2008

[3]韓行瑞，等.隧道巖溶涌水預報與處治—專家評判系統在滬蓉西高速公路的應用[M].桂林：廣西師范大學出版社，2010

[4]顧湘生，劉坡拉.鐵路巖溶工程地質勘察技術[M].武漢：中國地質大學出版社，2011