周青爽　尹士清

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(zhǎng)10 808 m，為雙線隧道，單面上坡，最大埋深770 m，進(jìn)出口路肩設(shè)計(jì)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(gè)重點(diǎn)高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一。該隧道設(shè)置3個(gè)輔助坑道，其中3號(hào)橫洞設(shè)計(jì)全長(zhǎng)2 140 m，橫洞和正洞交點(diǎn)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(zhì)背景

1.1　地層巖性

在隧址區(qū)的東南部和3號(hào)橫洞附近山斗坑一帶，主要分布前震旦系變質(zhì)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(xiàn)從新至老簡(jiǎn)要分述如下。

(1)侏羅系地層

①上統(tǒng)南園組第二段(J3n2)：流紋質(zhì)(含角礫)晶屑凝灰熔巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋巖等。

②上統(tǒng)長(zhǎng)林組(J3c)：含礫中粗-細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、粉砂巖、局部夾泥巖等。

③下統(tǒng)梨山組(J1l)：中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖等。

(2)二疊系地層

①下統(tǒng)童子巖組第一段(P1t1)：細(xì)粒石英砂巖，夾粉砂巖、泥巖及煤層煤線。

②下統(tǒng)棲霞組(P1q)：生物碎屑灰?guī)r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(zhì)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(zhǎng)角閃巖。

(4)巖脈

巖脈多沿?cái)嗔鸦蚬?jié)理裂隙密集帶侵入，規(guī)模小，主要為花崗斑巖、輝綠巖、玄武巖等。

1.2　地質(zhì)構(gòu)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(qū)域性政和—大埔北東向斷裂斜貫全區(qū)。本區(qū)以北東向構(gòu)造為主，北西向和南北向構(gòu)造次之。在隧址區(qū)的東南部正洞DK408+074～DK410+855和3號(hào)橫洞附近山斗坑一帶，由前震旦系變質(zhì)巖地層組成倒轉(zhuǎn)平臥褶皺[1](見圖1、圖2)。

圖1　3號(hào)橫洞及正洞附近1∶5萬地質(zhì)

圖2　B-B＇1∶5萬地質(zhì)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(zhì)

(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(gòu)成“構(gòu)造窗”，組成封閉洼地；封閉洼地由前震旦系A(chǔ)nZl1大理巖為主體形成平臥褶皺(圖2)，因經(jīng)受長(zhǎng)期強(qiáng)烈擠壓變動(dòng)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，是良好的裂隙、溶隙儲(chǔ)水構(gòu)造，其匯水面積約12.9 km2。排泄基準(zhǔn)面為隧道右側(cè)(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(dòng)力剝蝕面和巖溶發(fā)育深度(圖1)。

在3號(hào)橫洞和附近正洞山體上沒有發(fā)現(xiàn)水庫、塘堰、水井，當(dāng)?shù)卮迕裆铒嬘盟∽陨綔现械纳饺拖?；F9-1、F9斷層通過的溝谷在3號(hào)橫洞線位附近及溝谷下游形成了一個(gè)小型巖溶洼地，寬約310 m，長(zhǎng)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(jīng)巖溶小洼地時(shí)流量開始減小直至斷流，在其下游約700m的地方有一個(gè)溶隙管道流出口，有地下水流出，當(dāng)?shù)卮迕裨诖艘嬘?。?號(hào)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(diào)查當(dāng)?shù)卮迕竦弥現(xiàn)9、F9-1斷層的兩條小溪在小洼地上緣簡(jiǎn)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(zhì)勘察在洞身可溶巖(大理巖、灰?guī)r)地段共實(shí)施5孔機(jī)動(dòng)鉆探，其中3孔見溶洞(表1)，洞內(nèi)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(dāng)?shù)貐^(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面137 m[2]。

表1　鉆孔溶洞發(fā)育情況一覽

1.4　橫洞巖溶地質(zhì)情況

3號(hào)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(zhuǎn)褶皺的核部附近，次級(jí)構(gòu)造發(fā)育(圖3)。

圖3　3號(hào)橫洞地質(zhì)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(hào)橫洞開挖至H3DK0+894時(shí)，工作面左側(cè)處發(fā)現(xiàn)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(cè)上部一個(gè)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?dāng)y帶泥沙涌出，水質(zhì)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(fā)現(xiàn)溶洞向左側(cè)發(fā)展，工作面左側(cè)墻腳出現(xiàn)涌水，水質(zhì)混濁，估計(jì)涌水量45 m3/min，遂停止掘進(jìn)施工，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。8月6日6:00，開挖至H3DK0+891時(shí)，工作面左側(cè)下部出現(xiàn)大量涌水，現(xiàn)場(chǎng)施工人員全部撤離。后涌水量持續(xù)增加，至上午10：00增大到260 m3/min，直到當(dāng)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(jī)載人進(jìn)洞調(diào)查涌水情況，在H3DK0+891底部左側(cè)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(jù)流水的方向觀察，水源來自左上側(cè)，水質(zhì)混濁，夾雜大量碎石和粉細(xì)砂等，實(shí)測(cè)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(duì)伍在工作面H3DK0+891處進(jìn)行TSP203、地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆探。

在工作面上布置5個(gè)超前水平鉆孔，長(zhǎng)30 m，在鉆探過程中均沒有水流出。鉆探結(jié)果顯示，3號(hào)橫洞工作面前方2～10 m范圍有兩處空腔，空腔內(nèi)無水和泥漿等物質(zhì)充填，其余地段局部存在溶隙、溶槽等。地質(zhì)雷達(dá)和TSP203預(yù)報(bào)結(jié)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(jì)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(cè)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(nèi)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(zhǎng)度不斷發(fā)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(hào)橫洞溶洞涌水發(fā)生后，在橫洞口建立了流量觀測(cè)站，進(jìn)行涌水量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作。9月4日之前監(jiān)測(cè)頻率為每小時(shí)一次，最大涌水量出現(xiàn)在8月6日10時(shí)，為260 m3/min。8月23日之前涌水量出現(xiàn)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(wěn)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(zhì)清澈，溶洞頂部坍塌基本停止。其中2009年8月23日23時(shí)之前累計(jì)涌水量達(dá)到53.4萬m3。

2.3　繞行洞、叉洞及正洞施工地質(zhì)情況

(1)后期開挖地質(zhì)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(hào)橫洞溶洞處理方案專家研討會(huì)，決定3號(hào)橫洞自工作面退后100 m左右，向右開設(shè)支洞繞行通過，并增開一個(gè)工作面。

3號(hào)橫洞繞行洞、分叉支洞及附近正洞變質(zhì)巖區(qū)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(gè)斷層，包括F9-1、F9、F8等。這些斷層多以壓扭性為主，斷層帶內(nèi)角礫之間填充膠結(jié)密實(shí)，導(dǎo)水性差，尤其是區(qū)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(gè)鉆孔中也有揭示。

(2)施工揭示的巖溶情況

3號(hào)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(diǎn)6處，其中2處溶洞，4處大溶隙，溶洞、溶隙內(nèi)有部分堆積物，寬度<0.3 m或水量很小的溶隙沒有統(tǒng)計(jì)。3號(hào)橫洞溶洞涌水發(fā)生后，在此之前已經(jīng)揭示的2個(gè)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(diǎn)水量很小，沒有水壓，尤其是正洞DK408+122工作面揭示3個(gè)小溶洞，最大口徑約2m，但洞內(nèi)除了一點(diǎn)殘留的積水外，沒有外來水補(bǔ)給，但其周邊的溶隙流水痕跡明顯。

通過各巖溶點(diǎn)的流量、水壓分析，這6個(gè)巖溶點(diǎn)均屬于同一個(gè)巖溶水系統(tǒng)，由于3號(hào)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(nèi)的大部分積水，導(dǎo)致后期揭示的巖溶點(diǎn)水量很小。

3　相關(guān)分析

3.1　地形地貌及儲(chǔ)水構(gòu)造

從當(dāng)?shù)?∶5萬、1∶1萬地形圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，山斗坑附近的前震旦系變質(zhì)巖地層分布范圍較小，面積不足10 km2；在變質(zhì)巖周邊3個(gè)方向?yàn)楦呱江h(huán)繞，西邊為區(qū)域內(nèi)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(gè)小缺口，寬度不足300 m。從地形地貌上看，山斗坑地區(qū)由前震旦系A(chǔ)nZl1大理巖主體組成一個(gè)小盆地(封閉洼地)，南北向最長(zhǎng)約5 km，東西向最寬約2.5 km，在盆地(封閉洼地)周邊環(huán)繞的分水嶺區(qū)域內(nèi)，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(gòu)造盆地是由前震旦系大理巖地層為主體組成的、獨(dú)立的裂隙-溶隙型儲(chǔ)水構(gòu)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(chǔ)水構(gòu)造最低排泄基準(zhǔn)面。

3.2　巖溶成因

(1)3號(hào)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(qū)內(nèi)斷裂及平臥褶皺構(gòu)造發(fā)育，巖體較破碎，為地下水的運(yùn)移和儲(chǔ)存創(chuàng)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(bǔ)給，降雨充沛且位于一個(gè)構(gòu)造盆地，地表、地下水徑流補(bǔ)給充足。

以上3條具備巖溶發(fā)育的充分必要條件。

3.3　洞內(nèi)涌水與地表水的關(guān)系

(1)3號(hào)橫洞2009年8月6日涌水發(fā)生后，立即開展了地表水和巖溶的補(bǔ)充調(diào)查工作，查明：3號(hào)橫洞溶洞頂?shù)牡乇砭驮贔9-1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(nèi)涌水與小溪水量增減關(guān)系不明顯。

(2)16日下午在橫洞左側(cè)上游簡(jiǎn)易公路邊實(shí)測(cè)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(cè)另有兩條小水溝流量很小，沒有實(shí)測(cè)，總計(jì)有4條小溪于H3DK0+800右側(cè)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(nèi)涌水而出現(xiàn)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(jìn)行了3次示蹤試驗(yàn)，在3號(hào)橫洞溶洞涌水處沒有發(fā)現(xiàn)水體顏色變化的跡象，表明地表水與洞內(nèi)涌水無水力聯(lián)系。

(4)溶洞涌水發(fā)生后，在工作面出水口多次實(shí)測(cè)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(dāng)?shù)厍∮觥澳伞迸_(tái)風(fēng)，連續(xù)強(qiáng)降雨，累計(jì)最大降雨量達(dá)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(jīng)歷3個(gè)雨季、多次強(qiáng)降雨和2011年上半年持續(xù)干旱，3號(hào)橫洞溶洞涌水量一直維持在5～6 m3/min，波動(dòng)很小，不受季節(jié)變換、干旱降雨的影響。

以上調(diào)查、試驗(yàn)和流量監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明，3號(hào)橫洞的溶洞較為封閉，與地表水體和溶隙管道流的水力聯(lián)系很差。

3.4　巖溶水水動(dòng)力剖面

通過收集地質(zhì)勘察、施工開挖和溶洞涌水后的地面補(bǔ)充調(diào)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(zhì)剖面和巖溶發(fā)育示意圖(圖4)。

圖4　地表水?dāng)嗔魉诘臏瞎鹊刭|(zhì)剖面和巖溶發(fā)育示意

3號(hào)橫洞溶洞涌水處的洞室底板高程為242.16 m，地表水?dāng)嗔魈幐叱虨?04 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(zhǔn)面為福廷坑處小溪河床，其高程約224 m。當(dāng)?shù)匚挥谀戏?，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(fā)育有規(guī)模不等的小溪，在巖溶洼地上緣、簡(jiǎn)易公路附近的四條溝谷內(nèi)的小溪常年不斷流。根據(jù)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(hào)橫洞溶洞涌水處位于當(dāng)?shù)貛r溶水水平流動(dòng)帶以下的深部循環(huán)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(tài)水可能來自溶隙腔體及其有密切關(guān)聯(lián)的溶隙網(wǎng)絡(luò)的三維充水體；因?yàn)闄M洞涌水處在深部循環(huán)帶，當(dāng)靜態(tài)水泄盡后，得到深部溶隙水的補(bǔ)給，其涌水量保持穩(wěn)定，降雨影響甚微。

4　結(jié)論

(1)棋盤石3號(hào)橫洞處在一個(gè)周邊被侏羅系阻水層包圍圈閉，以前震旦系A(chǔ)nZl1大理巖為主體的構(gòu)造盆地，地貌顯示現(xiàn)為封閉“袋狀”洼地，承接匯聚周邊匯水面積的降雨入滲補(bǔ)給，構(gòu)成獨(dú)立的平臥向斜裂隙-溶隙儲(chǔ)水構(gòu)造。

(2)橫洞處在巖溶水的深部循環(huán)帶，初期泄盡靜態(tài)水后得到深部溶隙水的補(bǔ)給，涌水量保持穩(wěn)定。

(3)儲(chǔ)水構(gòu)造是一個(gè)相對(duì)封閉、獨(dú)立的巖溶水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)高度重視，并采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和應(yīng)急防范措施。

[1]福建省地質(zhì)礦產(chǎn)局.中華人民共和國1∶5萬地質(zhì)圖G-50-69-C[R].福州：福建省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1995

[2]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.向莆鐵路補(bǔ)充定測(cè)棋盤石隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008

[3]韓行瑞，等.隧道巖溶涌水預(yù)報(bào)與處治—專家評(píng)判系統(tǒng)在滬蓉西高速公路的應(yīng)用[M].桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2010

[4]顧湘生，劉坡拉.鐵路巖溶工程地質(zhì)勘察技術(shù)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2011