棋盘石隧道3号横洞岩溶及岩溶水分析

周青爽　尹士清

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

向莆铁路棋盘石隧道位于福建省尤溪县城东南，起迄里程为DK400+988～DK411+796，全长10 808 m，为双线隧道，单面上坡，最大埋深770 m，进出口路肩设计高程分别为184.44 m、266.68 m。棋盘石隧道是全线唯一的岩溶隧道，被铁道部列为向莆铁路2个重点高风险隧道之一。该隧道设置3个辅助坑道，其中3号横洞设计全长2 140 m，横洞和正洞交点里程为DK409+000，纵坡为3‰。该隧道于2008年10月1日开工，2011年12月10日贯通。

1　地质背景

1.1　地层岩性

在隧址区的东南部和3号横洞附近山斗坑一带，主要分布前震旦系变质岩，周边主要分布侏罗系的火山岩和碎屑岩，以及局部零星出露的二叠系地层，现从新至老简要分述如下。

(1)侏罗系地层

①上统南园组第二段(J3n2)：流纹质(含角砾)晶屑凝灰熔岩、熔结凝灰岩、流纹岩等。

②上统长林组(J3c)：含砾中粗-细粒长石岩屑砂岩、粉砂岩、局部夹泥岩等。

③下统梨山组(J1l)：中细粒长石石英砂岩、粉砂岩等。

(2)二叠系地层

①下统童子岩组第一段(P1t1)：细粒石英砂岩，夹粉砂岩、泥岩及煤层煤线。

②下统栖霞组(P1q)：生物碎屑灰岩夹粉砂岩、泥岩及燧石条带。

(3)前震旦系地层

①龙北溪组上段(AnZl2)：云母石英片岩，夹条带状石英岩。

②龙北溪组下段(AnZl1)：大理岩、滑石化白云质大理岩、条带状石英岩，夹云母石英片岩、石英滑石岩等。

③东岩组(AnZdy)：绿泥片岩、黑云片岩，夹条带状石英岩，偶见斜长角闪岩。

(4)岩脉

岩脉多沿断裂或节理裂隙密集带侵入，规模小，主要为花岗斑岩、辉绿岩、玄武岩等。

1.2　地质构造背景

棋盘石隧道处于闽西南拗陷带和闽东火山断坳带交汇部位，区域性政和—大埔北东向断裂斜贯全区。本区以北东向构造为主，北西向和南北向构造次之。在隧址区的东南部正洞DK408+074～DK410+855和3号横洞附近山斗坑一带，由前震旦系变质岩地层组成倒转平卧褶皱[1](见图1、图2)。

图1　3号横洞及正洞附近1∶5万地质

图2　B-B＇1∶5万地质剖面

侏罗系等地层不整合覆于前震旦系地层之上，或与其呈断层接触(见图1)。

1.3　岩溶水文地质

(1)地表岩溶水文情况

侏罗系火山熔岩、火山碎屑岩高地圈围低处的、老的前震旦系地层，构成“构造窗”，组成封闭洼地；封闭洼地由前震旦系AnZl1大理岩为主体形成平卧褶皱(图2)，因经受长期强烈挤压变动，岩体节理裂隙发育，是良好的裂隙、溶隙储水构造，其汇水面积约12.9 km2。排泄基准面为隧道右侧(南面)封闭洼地“布袋”式窄口处，福廷坑河谷高程为224 m，是封闭洼地地表水、地下水向外排泄的唯一出口，控制大理岩岩溶水动力剥蚀面和岩溶发育深度(图1)。

在3号横洞和附近正洞山体上没有发现水库、塘堰、水井，当地村民生活饮用水均取自山沟中的山泉水和溪水；F9-1、F9断层通过的沟谷在3号横洞线位附近及沟谷下游形成了一个小型岩溶洼地，宽约310 m，长约500 m，洼地的下边界就是AnZl1/AnZl2岩性分界线。

在F9-1断层通过的小溪，流经岩溶小洼地时流量开始减小直至断流，在其下游约700m的地方有一个溶隙管道流出口，有地下水流出，当地村民在此引水饮用。在3号横洞和正洞DK408+074～DK410+855附近地表其他地方可见大理岩溶蚀形成的溶隙、溶槽，局部可见溶洞。

走访调查当地村民得知，F9、F9-1断层的两条小溪在小洼地上缘简易公路附近常年有水。

(2)隧道勘察期间岩溶揭示情况

棋盘石隧道工程地质勘察在洞身可溶岩(大理岩、灰岩)地段共实施5孔机动钻探，其中3孔见溶洞(表1)，洞内存在岩溶水，钻孔已揭示的溶洞底板最低高程仍高出隧道轨顶102 m，高出当地区域侵蚀基准面137 m[2]。

表1　钻孔溶洞发育情况一览

1.4　横洞岩溶地质情况

3号横洞洞身围岩主要为前震旦系龙北溪组下段(AnZl1)的大理岩夹条带状石英岩、云母石英片岩，洞身有F9和F9-1断层穿过，且位于一大型倒转褶皱的核部附近，次级构造发育(图3)。

图3　3号横洞地质纵断面

2　横洞施工情况

2.1　开挖揭示情况

(1)2009年8月5日下午，3号横洞开挖至H3DK0+894时，工作面左侧处发现有一竖向小断层，断层宽约0.5～1 m，断层带中间见绿色蚀变，有股状水流出，只有左侧上部一个超前炮孔有成股水流出，没有压力。放炮开挖出碴后，工作面右拱脚有大量水携带泥沙涌出，水质浑浊，溶洞出水口有一定的压力。8月5日晚上21：00放炮，出水量没有增加，出碴完成后，发现溶洞向左侧发展，工作面左侧墙脚出现涌水，水质混浊，估计涌水量45 m3/min，遂停止掘进施工，及时进行初期支护。8月6日6:00，开挖至H3DK0+891时，工作面左侧下部出现大量涌水，现场施工人员全部撤离。后涌水量持续增加，至上午10：00增大到260 m3/min，直到当天下午19：00左右，水量开始逐步减小。

(2)8月7日中午，装载机载人进洞调查涌水情况，在H3DK0+891底部左侧墙角有一股水冒出，急流水的宽度为1.2 m，另外工作面前方底板以上1m范围全部塌空，塌空部分前方约2.5 m，宽度约3.3 m。根据流水的方向观察，水源来自左上侧，水质混浊，夹杂大量碎石和粉细砂等，实测出水口水温19.5 ℃。

(3)涌水量减小后，在确保安全的前提下，于8日安排队伍在工作面H3DK0+891处进行TSP203、地质雷达和超前水平钻探。

在工作面上布置5个超前水平钻孔，长30 m，在钻探过程中均没有水流出。钻探结果显示，3号横洞工作面前方2～10 m范围有两处空腔，空腔内无水和泥浆等物质充填，其余地段局部存在溶隙、溶槽等。地质雷达和TSP203预报结果与超前水平钻孔的情况基本一致。

(4)8月14日工作面共放小炮两次，洞口完全炸开，溶洞及坍体高度自横洞底板计算约17 m，由于溶洞顶部有填充物和石块掉落，横洞底板以下没有探测深度，溶洞及坍体宽度约13 m，洞顶上方有一小股水落下来，流量约0.2～0.3 m3/min，溶洞内填充物为硬塑状的泥土夹碎石和少量块石等，碎石和石块棱角尖锐；至16日坍塌高度大于25 m，宽度大于16 m，向横洞前方溶洞长度不断发展；至18日凌晨，坍塌体已将工作面溶洞口填满。

2.2　溶洞涌水量变化情况

3号横洞溶洞涌水发生后，在横洞口建立了流量观测站，进行涌水量的长期监测工作。9月4日之前监测频率为每小时一次，最大涌水量出现在8月6日10时，为260 m3/min。8月23日之前涌水量出现几次起伏，几次小峰值涌水量在120～18 m3/min之间，8月23日后涌水量逐渐减小并趋于稳定，9月上旬为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，水质清澈，溶洞顶部坍塌基本停止。其中2009年8月23日23时之前累计涌水量达到53.4万m3。

2.3　绕行洞、叉洞及正洞施工地质情况

(1)后期开挖地质情况

2009年8月18日，向莆铁路股份有限公司召开了棋盘石隧道3号横洞溶洞处理方案专家研讨会，决定3号横洞自工作面退后100 m左右，向右开设支洞绕行通过，并增开一个工作面。

3号横洞绕行洞、分叉支洞及附近正洞变质岩区洞身开挖大部分揭示几乎全是灰白色的大理岩。在开挖施工中，也遇见几个断层，包括F9-1、F9、F8等。这些断层多以压扭性为主，断层带内角砾之间填充胶结密实，导水性差，尤其是区域性断裂F8，在断裂带及其周边见辉绿岩脉侵入，在勘察期间的多个钻孔中也有揭示。

(2)施工揭示的岩溶情况

3号横洞、绕行洞、开叉支洞及正洞的开挖施工过程中共揭示较大的岩溶点6处，其中2处溶洞，4处大溶隙，溶洞、溶隙内有部分堆积物，宽度<0.3 m或水量很小的溶隙没有统计。3号横洞溶洞涌水发生后，在此之前已经揭示的2个溶隙流量和水压均大幅降低，绕行洞和正洞施工中揭示的3处岩溶点水量很小，没有水压，尤其是正洞DK408+122工作面揭示3个小溶洞，最大口径约2m，但洞内除了一点残留的积水外，没有外来水补给，但其周边的溶隙流水痕迹明显。

通过各岩溶点的流量、水压分析，这6个岩溶点均属于同一个岩溶水系统，由于3号横洞H3DK0+888.5溶洞大量涌水，排空了溶洞和与其相通的溶洞、溶隙管道内的大部分积水，导致后期揭示的岩溶点水量很小。

3　相关分析

3.1　地形地貌及储水构造

从当地1∶5万、1∶1万地形图和现场实地调查可以发现，山斗坑附近的前震旦系变质岩地层分布范围较小，面积不足10 km2；在变质岩周边3个方向为高山环绕，西边为区域内最高峰上谢顶1 021 m、北边下桥山792.3 m、东边金堂岭624 m，最南边福廷坑处河谷最低高程约224 m，仅在该处形成一个小缺口，宽度不足300 m。从地形地貌上看，山斗坑地区由前震旦系AnZl1大理岩主体组成一个小盆地(封闭洼地)，南北向最长约5 km，东西向最宽约2.5 km，在盆地(封闭洼地)周边环绕的分水岭区域内，所有的地表径流形成的山涧小溪均流向盆地中央，汇集成一条近南北向的小河，在福廷坑处排泄到盆地外面。

构造盆地是由前震旦系大理岩地层为主体组成的、独立的裂隙-溶隙型储水构造，地下水的渗流方向和地表水排泄方向基本一致。处在封闭洼地窄口的福廷坑附近的河水面高程是储水构造最低排泄基准面。

3.2　岩溶成因

(1)3号横洞、绕行洞、分叉支洞及附近正洞洞身开挖揭示为大片的大理岩，属于可溶岩。

(2)隧址区内断裂及平卧褶皱构造发育，岩体较破碎，为地下水的运移和储存创造了条件。

(3)可溶岩组成汇水封闭洼地、承接12.9 km2汇水面积降雨入渗补给，降雨充沛且位于一个构造盆地，地表、地下水径流补给充足。

以上3条具备岩溶发育的充分必要条件。

3.3　洞内涌水与地表水的关系

(1)3号横洞2009年8月6日涌水发生后，立即开展了地表水和岩溶的补充调查工作，查明：3号横洞溶洞顶的地表就在F9-1沟谷的小溪附近，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，说明洞内涌水与小溪水量增减关系不明显。

(2)16日下午在横洞左侧上游简易公路边实测F9、F9-1断层两条小溪的流量分别为0.8 m3/min和0.1 m3/min，在线路左侧另有两条小水沟流量很小，没有实测，总计有4条小溪于H3DK0+800右侧180 m附近汇集到一起，下游的溶隙管道流及所在小溪的总流量约为0.7 m3/min，未因洞内涌水而出现断流或水量明显变化。

(3)9月3日，在地表小溪断流处上游用高锰酸钾进行了3次示踪试验，在3号横洞溶洞涌水处没有发现水体颜色变化的迹象，表明地表水与洞内涌水无水力联系。

(4)溶洞涌水发生后，在工作面出水口多次实测水温为19.5～20 ℃，明显比洞外的溪水温度低；8月8日至10日当地恰遇“莫拉可”台风，连续强降雨，累计最大降雨量达400 mm，溶洞涌水量仍然不断减小。

(5)2009年9月中旬至2011年底期间，经历3个雨季、多次强降雨和2011年上半年持续干旱，3号横洞溶洞涌水量一直维持在5～6 m3/min，波动很小，不受季节变换、干旱降雨的影响。

以上调查、试验和流量监测结果均表明，3号横洞的溶洞较为封闭，与地表水体和溶隙管道流的水力联系很差。

3.4　岩溶水水动力剖面

通过收集地质勘察、施工开挖和溶洞涌水后的地面补充调查资料，分析绘制出沿溶隙管道流、F9-1断裂所在的沟谷地质剖面和岩溶发育示意图(图4)。

图4　地表水断流所在的沟谷地质剖面和岩溶发育示意

3号横洞溶洞涌水处的洞室底板高程为242.16 m，地表水断流处高程为404 m，横洞埋深为161.8 m，溶隙管道流出口高程287.35 m，最近的河流侵蚀基准面为福廷坑处小溪河床，其高程约224 m。当地位于南方，降雨丰沛、地表植被茂盛，地下水位埋深较浅，一般每条沟谷均发育有规模不等的小溪，在岩溶洼地上缘、简易公路附近的四条沟谷内的小溪常年不断流。根据钻探资料，即使在山坡上一般的地下水位埋深也小于30 m。可见3号横洞溶洞涌水处位于当地岩溶水水平流动带以下的深部循环带。

3.5　涌水的来源分析

涌水初期的2次涌水过程，粗略估算约29.9万m3静态水可能来自溶隙腔体及其有密切关联的溶隙网络的三维充水体；因为横洞涌水处在深部循环带，当静态水泄尽后，得到深部溶隙水的补给，其涌水量保持稳定，降雨影响甚微。

4　结论

(1)棋盘石3号横洞处在一个周边被侏罗系阻水层包围圈闭，以前震旦系AnZl1大理岩为主体的构造盆地，地貌显示现为封闭“袋状”洼地，承接汇聚周边汇水面积的降雨入渗补给，构成独立的平卧向斜裂隙-溶隙储水构造。

(2)横洞处在岩溶水的深部循环带，初期泄尽静态水后得到深部溶隙水的补给，涌水量保持稳定。

(3)储水构造是一个相对封闭、独立的岩溶水系统，设计、施工时应高度重视，并采取综合超前地质预报和应急防范措施。

[1]福建省地质矿产局.中华人民共和国1∶5万地质图G-50-69-C[R].福州：福建省地质矿产局，1995

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司.向莆铁路补充定测棋盘石隧道工程地质勘察报告[R].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2008

[3]韩行瑞，等.隧道岩溶涌水预报与处治—专家评判系统在沪蓉西高速公路的应用[M].桂林：广西师范大学出版社，2010

[4]顾湘生，刘坡拉.铁路岩溶工程地质勘察技术[M].武汉：中国地质大学出版社，2011