温岭观夕硐古采石场工程地质条件评价

祝介旺，李丽慧，田洪水，傅燕，罗巧慧，何万通

（1山东建筑大学土木工程学院，济南 250101；2中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029；3浙江省龙游县龙游石窟研究所，龙游 324400；4温岭长屿硐天旅游实业有限公司，温岭 317502）

1 前言

长屿硐天的观夕洞等28个大型古洞室群，约有1 314个洞室，是由于地下采石活动而形成的。被评为AAAA景区、世界地质公园、国家级矿山公园和国家级风景名胜区。图1绘出了观夕洞古洞室群的分布图。

图1 观夕洞古洞室群分布图Fig.1 Distribution of Guanxi ancient caver ns

据考古论证，长屿硐天的采石活动，向上可追溯到南北朝，向下可到20世纪的80年代。在上述的1 314个洞室中，有很多洞室的规模都很大，其中多个洞室的跨度大于40 m，高度可超过50 m。根据《军队地下工程勘察规范》［1]（1997）的界定，它们属于大型地下工程。

这些规模巨大的因古代采石而形成的洞室群，让我们看到了一个很有意义的科学问题，即这些规模巨大的洞室群何以千年稳定而不倒？参照其他大型古地下工程的研究结论［2－5]，洞室群的长期稳定除了与洞室结构、洞型等这些人为的开采因素有关外，主要是由于洞室围岩具有良好的工程地质条件。为此，作者开展了相关研究。但由于长屿硐天的古洞室群很多，所以本文仅选择有代表性的观夕洞洞室群进行工程地质条件研究。

2 长屿硐天区域构造、水文地质条件

2.1 地形地貌及气候

长屿硐天位于浙江省温岭市新河镇的长屿。研究区内冈峦起伏，曲折绵延，山脉以北东走向为主，地势南高北低，海拔约为100～400 m。其东侧分布有狮岩头－上方洞山脉，最高峰的海拔为390.1 m；其北缘的河口平原海拔仅为3～5 m。气候温暖湿润，属亚热带季风气候。年平均气温17℃～18℃。年平均降雨量1 200～2 000 mm。

2.2 地层

浙江省区域地质资料表明［6－8]，处于浙江东南沿海火山岩带东南端的温岭地区，其中生代火山活动剧烈，火山岩分布广泛。除第四系外，均为中生代上侏罗统磨石群火山沉积岩系。表1列出了与长屿硐天大型古地下采石场洞室群及其稳定性直接有关的4个侏罗系地层和其中西山头组（J3X）的3个岩性段。

表1 温岭地层划分简表Table 1 Wenling stratigraphic division

西山头组（J3x）主要分布在温岭与联树镇一线的东、西两侧，面积约为120.5 k m2。受晋岙等火山构造控制。根据其火山喷发特征及岩性组合，又可将之分为3个岩性段（表1）。根据对研究区主要大型古地下采石场洞室群的现场考察，其围岩应属于上述西山头组一段和二段的岩石。所以这里拟对它们的岩性作进一步描述：

（1）西山头组一段（J3x1）

厚度大于253 m。主要岩性为浅灰－灰紫色流纹质玻屑熔结凝灰岩、流纹质含角砾晶屑玻屑熔结凝灰岩、流纹质玻屑凝灰岩，间夹多层沉凝灰岩、凝灰质细、粉砂岩等。

（2）西山头组二段（J3x2）

厚度大于170 m。主要岩性为灰白－灰紫色流纹质含角砾玻屑凝灰岩、流纹质角砾凝灰岩、流纹质凝灰角砾岩，局部夹紫红色凝灰质砂岩、沉凝灰岩。

2.3 地质构造［8]

就长屿硐天所在地温岭地区的区域构造而言，北东向断裂最为发育，主要分布于西坑里－肖树和帽岭头－上村一带，规模较大。断层面较为平直，陡倾角，并见斜冲擦痕、劈理和构造透镜体。整个构造带宽约12 k m，在研究区内长约16 k m；北西向断裂是形成较晚的一组断裂。其中紫皋陆－金山头断裂的规模较大，倾角较陡。在温岭地区出露长度约4～7 k m，破碎带最宽达30 m。断面表现为张性－张扭性，呈锯齿状。该断层的紫皋陆（村）位于观夕洞的S70°E方向，两者相距仅为4 k m左右；另外，东西向断裂形成年代较早，但规模一般不大。主要有毛山头－黄古塘断裂带及仙人尖脚、陈岙断裂，均以压性为主；至于南北向断裂的规模一般较小。主要有小岙－花蕊断裂、河新基－亭头断裂等。断裂长度2～3 k m，倾角较陡。断面较平直，属压性，破碎带宽5～30 m。

2.4 水文地质条件［9]

该区气候温润，降水丰富，为地下水的形成提供了充足的补给水源。在长屿硐天景区，除存在松散堆积层孔隙水和由中、上更新统冲积、洪－冲积层组成的承压含水层的承压水外，还存在丰富的火山岩类构造裂隙水。具体又分为凝灰岩、流纹质构造裂隙水和中酸性熔岩风化构造裂隙水等两类。后者出露的泉水较多，但其流量通常小于1 t／h。

降水是研究区地下水的主要补给来源。在8～9月份常有台风，降水强度大，并导致大部分呈地表水排泄；在4～6月份，为梅雨季节，相应降水强度小，持续时间长，有利于地下水的补给。

另外，由于山区地形切割较强，所以山溪性河流特别发育。一般以河流排泄地下水为主。现场调查还表明，因地下水的运动受局部地形的控制，排水基准面高，径流途径短，故也以泉的形式排泄。

3 观夕洞大型古地下洞室群的结构面调查

3.1 洞室群分布区地表断层的调查

作者对研究区内观夕洞大型古洞室群分布区地表的断层进行了调查。图2绘出所查到9条断层f1～f9的分布情况。其中断层f1～f8列于表2，断层f9在洞内外皆有展露，示之于图3中。

3.2 出露于洞室群内的断层

在观夕洞洞室群内部也发现了多条断层，这里仅简述其中分别出露于洞室群20号洞和21号洞的3条断层f9～f11。

（1）出露于20号洞南端墙上的断层f9

20号洞的高、长和宽分别为26.2 m、38.7 m和19.9 m。调查发现图2所示的断层f9，也出露于南端墙（墙厚约2.4 m）上（图3）。f9的产状为N75°W，SE∠66°，宽约0.2～0.3 m，并有夹泥和碎块。另外，在断层层面上可见擦痕和阶步。

图2 出露于观夕洞古洞室群的断层（f 1～f 9）分布图Fig.2 Distribution of faults

表2 观夕洞分布区地表断层f 1～f 8特征表Table.2 Characteristics of Surface faults

（2）出露于21号洞西边墙上的断层f10和f11

21号洞位于上述20号洞的东侧。作者在其长约30.7 m西边墙上发现了两条互相平行、相距2.7 m的断层f10和f11（图4）。它们的产状均为N32°W，NE∠7°。据观察，它们基本上都无夹泥，但有擦痕和阶步，据此判断为逆断层。

3.3 观夕洞所在地结构面的分布特点

图3 位于观夕洞洞室群20号洞洞口的断层f 9Fig.3 Fault 9 at the 20－th entrance

图4 观汐洞21号洞西边墙上断层f 10和f 11Fig.4 Faults 10＆11on the westwall of the 21－st cave

根据现场调查和节理产状统计，作者发现在观汐洞分布区以东西向（80°～100°）的结构面最为发育；次为北东向（30°～50°）和北西向（305°～330°），再次为近南北向（350°）。据各结构面之间的相互切割关系判别，其形成的时序大致为：东西向的结构面形成较早，而北西向的结构面形成较晚。另外，节理面一般较平直、光滑，蚀变不明显。并且在整个长屿硐天古地下采石场分布区，结构面具有上述同样的分布规律。

还应指出出露于洞室群分布区的断层的规模一般较小，其可见长度多数都小于50 m；围岩中的节理也不发育，其可见长度大多数都小于10～20 m。

4 洞室围岩物理力学性质

为了对洞室围岩工程地质条件作出评价，在观夕洞古洞室群中取了4组岩样，进行围岩物理力学试验。表3给出了有关试验成果。

表3 观汐洞围岩的物理力学实验指标Table.3 Experimental indicators for physical mechanics of surrounding rocks

5 观夕洞大型古地下采石场的工程地质条件评价

5.1 岩体结构分类

观夕洞各洞室所在的凤凰山岩体基本上为巨厚层凝灰岩。总体上看，该研究区的断层、节理都不发育。但现场调查还表明，围岩的岩体结构与洞室的埋深有关：

（1）对于分布在地表以下25 m或更深部位的岩体，除有较大断层出露的部分外，结构面通常较稀少，完整系数大于0.75，基本块体大于1 m3。依据谷德振岩体结构分类标准［10]，这些洞室围岩被划分为整体块状结构。

（2）对于分布在山体地表以下约为15 m至25 m的岩体，或是在山体内部局部节理相对较多地段的岩体，其完整系数约为0.50～0.75，基本块度大小约为0.5～1.0 m3。按照上述谷德振岩体结构分类标准，基本上可定为块状结构。

（3）按照同样的标准［10]，地表以下约5～15 m深度之间的岩体，通常因结构面较发育而被定为层状结构，局部地段则因风化较严重而定为碎裂结构。

（4）分布在地表到约5 m深度的山体较为复杂，其中部分岩石露头可定为碎裂结构或层状结构、块状结构，但其中的坡积层，则可定为散体结构。

5.2 观夕洞稳定性评价

观夕洞围岩的岩性主要为上侏罗统磨石山群西山头组一段和二段的浅灰－灰紫色流纹质玻屑熔结凝灰岩和流纹质含角砾晶屑玻屑凝灰岩等。其岩石强度较高（如在进行三轴试验中，在围压等于5 MPa的条件下，轴向破坏应力平均可达到117.87 MPa，抗拉强度平均为7.129 MPa）。另外，有2条分别出露于观夕洞古洞室群30号洞和31号洞的结构面较大，按谷德振有关结构面的分级标准，可将之划为3级结构面［10]。至于节理裂隙，通常较短且多数无夹泥。

根据对观夕洞主要洞室群围岩的考察，其完整性系数可超过0.75，而一般的也可达到0.50～0.75。显然可以确定，围岩岩体相当完整。所以总体上围岩结构被定为整体结构和块状结构［10－12]。

综上所述，并考虑到当地水文地质条件也较简单这一情况，对于长屿硐天的观夕硐大型古洞室群的工程地质条件可以作出总体上良好，部分为优，局部为中等和较差的评价。正因为各洞室围岩的工程地质条件总体上良好这一基本条件，使各洞得以千年不倒。当然，长屿硐天各洞采石长期以来所采用的水平式凿孔裂石采石板方法是一种非爆破的手工方法［5]。由于这种手工采石方法可以消除钻爆法所造成的围岩损伤，所以这也是各洞得以长期稳定的另一个重要原因。实际上，长屿硐天的1千多个洞室（包括跨度超过40 m、高度超过50 m的巨型洞室）经历数百年甚至上千年而不倒这一事实也支持了上述评价。

6 结论

通过上述研究工作，可以得出以下结论：

（1）由观夕硐等28个大型古洞室群共1 314个洞室构成的温岭长屿硐天采石场，始采于1 500年前，目前稳定性良好，是研究大型地下工程长久稳定的难得的平台，具有重要的历史价值和科学价值。

（2）观夕硐围岩不仅强度较高，而且相当完整，其岩体结构可划分为整体结构中的块状结构类，属于I类围岩，工程地质条件总体上良好。这就是为什么如此大规模的古洞室群竟然能经历1 500年而不倒的基本原因。这也说明，古人在采石场选址时具有的较高的工程地质水平。

（3）关于长屿硐天大型古地下采石场的研究，不仅是长期保护对策研究的基础，而且也是进行科普旅游的一份好教材。

谢辞 在现场考察期间，得到了温岭市长屿硐天旅游实业有限公司总经理颜延明、总工陶晨晓、经理林玉球等先生的无私帮助，作者在此深表谢意。

［1]军队地下工程勘察规范（GJBZ813－1997）［S].中华人民共和国国家军用标准，1997.

［2]祝介旺，柏松，刘恩聪，等.龙游石窟结构的力学思想［J].岩土力学，2008，29（9）：2427－2432.

［3]李丽慧，杨志法，张路青.关于龙游石窟斜顶“设计”中工程科学问题的探讨［J].岩石力学与工程学报，2005，24（2）：337－343.

［4]李丽慧.龙游大型古地下洞室群千年完整的机制研究［D].北京：中国科学院地质与地球物理研究所，2006.

［5]张中俭.蛇蟠岛大型古地下采石场洞室群工程地质力学问题研究［D].北京：中国科学院地质与地球物理研究所，2010，130－152.

［6]浙江省地质矿产局.浙江省区域地质志（区域地质第11号）［M].北京：地质出版社，1989.

［7]浙江省区域地质调查大队七分队.地质图说明书［G].（比例尺1∶500 00，温岭幅），1995.

［8]浙江省区域地质调查大队三分队.区域地质调查报告［R].（1∶200 000，温州幅），1979.

［9]浙江省水文地质工程地质大队：浙江省水文地质图说明书［G].（1∶500 00），1979.

［10]谷德振.岩体工程地质力学基础［M].北京：科学出版社，1979.

［11]王思敬，杨志法，刘竹华.地下工程岩体稳定分析［M].科学出版社，1984.

［12]《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第四版）［M].北京：中国建筑工业出版社，2006.