鴻圖特長隧道水文地質結構系統模型耦合分析

郭創川 周先平

摘 要：蓮花山斷裂帶分布在我國東南陸緣，是一條重要的深大斷裂帶，長360公里，呈北東45°左右展布，其控制了粵東沿海山脈的走向以及盆地、水系的分布。自印支運動以來，經歷了多次的擠壓與拉張作用，使得蓮花山斷裂帶內地質條件十分復雜，也必然加劇了在此斷裂帶內開挖的鴻圖隧道的挑戰性。本文綜合鴻圖隧道的地形地貌、地層巖性、地質構造以及新構造運動，結合遙感衛星影像的構造解譯成果，認為隧址區總體上表現為受NE向斷裂控制下，次級NW、NWW、NNE相互切割的構造格架。在山頂形成平緩開闊的兩級夷平面，地形平緩，洼地發育，溝谷縱橫。根據隧址區不同含水結構體的組合特征，建立隧址區巖體水文地質結構系統模型。巖體水文地質結構系統構成了地下水的賦存空間，控制著地下水的貯存和運移，直至開挖完成后形成了穩定的地下水平衡模式。

關鍵詞：蓮花山斷裂;特長隧道;水文地質;系統分析

中圖分類號：U456 文獻標識碼：A

0 引言

隧道突涌水問題是長大深埋隧道建設、設計和施工中必須深究的問題，不僅影響隧道施工安全還對周邊的自然環境造成極大的影響。鴻圖特長隧道穿越蓮花山斷裂構造，受構造運動影響隧道地質條件極其復雜，沿張開裂隙構造形成導水結構。為了揭示其水文地質結構特點，本文結合隧址區的結構特點，建立隧址區巖體水文地質結構系統模型，系統分析研究了地下水的賦存、貯存和運移，隧道開挖后地下水重新構建系統平衡分析。

1 隧址區自然地理地質概況

鴻圖特長隧道左線隧道里程ZK89+380 m～ZK95+716 m，設計總長6 336 m;右線隧道里程K89+392 m～K95+742 m，設計總長6 350 m，為特長隧道，按高速公路標準設計，為分離式雙向四車道，設計行車速度100 km/h。設計隧道底標高239 m～344 m，隧道最大埋深740 m。

隧址區屬南亞熱帶季風氣候區，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫21.2℃（五華）～21.7℃（豐順），多年平均降雨量1 519.7 mm（五華）～1 865.6 mm（豐順），位于韓江和榕江兩大水系的分水嶺區域，溪溝發育，多年平均徑流量27.356×108 m3。隧址區兩側斜坡地段大多數沖溝狹窄，匯水面積不大，受降雨影響季節性流水，有人工建設的水庫和山塘。

隧址區位于粵東蓮花山脈中段，屬于中低山構造剝蝕侵蝕地貌，地表植被發育，最低點位于隧道南東榕樹下一帶山溝，海拔50.0 m，最高點位于隧道K92+130 m左（南西）約300 m的黃棉湖頂，海拔1 062.0 m，地面標高50.0 m～

1 062.0 m，相對高差約1 012.0 m。洞身段山體渾厚，地形在800 m高程左右為明顯轉折段，其上地形相對切割深度較小，起伏不大，多分布平臺和洼地，為區域最高一級夷平面。

山頂夷平面坡度較為平緩，匯水面積大，發育較大的溪流，多常年有水。在隧址附近的油魚壩沖溝中堆積大塊卵礫石，反映其具有山區河流發育的特征或者季節性山區洪水特征，其下為陡坡地段，坡陡溝短。飛泉水庫上游山塘周圍的數條引水隧洞均為從油魚壩下泄的溪溝引水所建，由此可見由山頂夷平面發育的溪流具有較大的流量。而在隧址區NE和SW兩側均發育有多條較大的山區河流，如深坑、上肚坑、赤狗壩坑等。推測山頂夷平面區域河流發育，匯水面積大、條件好，應存在隱伏或埋藏古河道沉積層，淺層孔隙含水層發育，水量豐富。

2 水文地質結構系統分析

2.1 含水介質

根據隧址區分布和出露的地層巖性特征分析，隧址區含水介質主要有第四系松散堆積物孔隙含水介質、花崗巖和安山巖類風化殼風化裂隙含水介質和微新巖體斷裂裂隙含水介質。

2.1.1 第四系松散堆積物孔隙含水介質

隧址區地表覆蓋不厚的殘坡積層，巖性為粉質粘土或砂質、礫質粘土，厚度一般小于3.0 m，滲透系數經驗值K=0.1 m/d。

山頂夷平面廣泛發育沖溝及地表溪流，溪溝中分布一定厚度的沖洪積砂卵礫石層，厚度一般小于1.0 m。滲透系數經驗值K=50 m/d。

在800 m～900 m高度的沖溝中均見到大量磨圓度較好的大塊卵礫石堆積，在油魚壩、桐子洋等地的溪溝中還看到山區河流發育的壺穴以及砂卵礫石層，成為表層地下水的良好賦存空間。

2.1.2 基巖風化殼風化裂隙含水介質

隧址區基巖主要為侏羅系火山巖和燕山期花崗巖。安山巖類巖性以安山玢巖為主，為深灰色細粒結構或斑狀結構，塊狀構造，新鮮巖質堅硬。花崗巖巖性均為細粒-中粗粒黑云母二長花崗巖，為灰白色、灰黑色、斑狀、細粒或中粗粒花崗結構、塊狀構造，新鮮巖質堅硬。基巖表層廣泛接受長期的風化作用形成較厚的風化殼，發育風化裂隙，構成風化殼風化裂隙含水介質。風化作用受火成巖結構構造、礦物成分等影響，隧址區山頂及緩坡帶全～強風化巖體較發育，沖溝及地形較陡山坡多為中風化出露。中風化帶局部受斷層、節理（裂隙）影響，具裂隙式和夾層式風化特征。在地殼長期相對穩定和間隙性抬升運動的過程中，地表巖石經歷了長期風化營力的作用，發育了不同程度的風化殼，具有明顯的垂直分帶特征。

（1）全風化帶。全風化帶為表層土壤風化帶，為黃、灰黃色砂質粘土、粉質粘土，廣泛分布于山原和山坡平緩處，風化土粘粒含量較高，厚度在6 m～8.5 m，滲透系數經驗值K=0.1 m/d。

（2）強風化帶。強風化帶為土壤帶以下的風化土層，仍保留原巖結構，除石英未完全風化外，其它礦物均已成高嶺土類，手捏易碎，多分布于緩坡地帶，厚度約1 m～

40 m，滲透系數經驗值K=0.05 m/d～0.1 m/d。

（3）中風化帶。中風化帶巖石沿裂隙風化，間夾完整塊石。上帶裂隙連通，下帶裂隙勾通性弱。厚度4 m～30 m，滲透系數經驗值K=0.03 m/d。

（4）微風化帶。微風化帶巖體沿裂隙稍有風化，裂隙連通性差，巖石呈塊狀結構，巖質堅硬，厚度小于25 m，平均透系數經驗值K=0.008 m/d。

2.1.3 新鮮巖體斷裂裂隙含水介質

新鮮巖體一般較為完整、堅硬，主要含水介質為巖體中發育的構造斷裂和裂隙。隧址區總體上表現為受NE向和NW向斷裂控制下，次級NWW近EW向和NNE近SN向斷裂相互切割的構造格架。斷裂裂隙的水文地質性質與斷裂的力學性質、規模、發育時代以及活動特性密切相關。

2.2 蓄水構造模式

受區域性蓮花山深大斷裂多期次活動影響，隧址區地質構造較為復雜，主要表現為由安山巖形成的復式向斜以及廣泛發育縱橫交錯的斷裂構造。根據含水介質發育特征與地質構造組合關系，隧址區主要蓄水構造類型有桐子洋向斜蓄水構造、巖體侵入接觸蓄水構造和斷裂裂隙蓄水構造。

2.2.1 桐子洋復向斜蓄水構造

桐子洋向斜主體位于豐順縣一帶。褶皺形態為開闊型褶皺，次級褶皺發育。褶皺軸線方向NE50°，褶皺長25 km，寬25 km。復向斜核部為上侏羅統南山村組，翼部由上侏羅統水底山組和中上侏羅統熱水洞組組成。北西翼傾向145°～175°，傾角35°;南東翼傾向310°～350°，傾角40°～65°。該復向斜兩翼的次級褶皺也極為發育。復向斜后期被北東向、東西向和北西向斷裂切割，支離破碎，呈斷塊展露，局部被燕山期黑云母花崗巖侵蝕。隧道進口～K92+100段經過該褶皺帶，總體上位于該褶皺帶的轉折端至北西翼過渡帶，主要表現為由火山巖構成向斜構造。向斜構造的發育往往具有較好的賦水匯水條件，成為地下水匯聚富集的場所。

2.2.2 巖體侵入接觸帶蓄水構造

巖體侵入接觸帶，由于受到強烈的擠壓、烘烤、蝕變等地質作用，一般巖性較為破碎，形成基巖裂隙水的良好賦存空間。隧址區不僅有火山巖與花崗巖的侵入接觸帶，還有不同期次花崗巖的侵入接觸帶，成為基巖地下水賦存的重要場所。

隧址區基巖主要為侏羅系火山巖和燕山期花崗巖。兩者接觸帶位置位于K92+180 m附近，呈侵入接觸關系，以東為安山巖類，以西為花崗巖類。

燕山期花崗巖存在多期次侵入，以侏羅紀、白堊紀侵入為主，兩期花崗巖約在K94+500 m附近位置呈疊加侵入接觸關系。以西為侏羅紀晚期二長花崗巖，以東為白堊紀晚期二長花崗巖。

2.2.3 斷裂帶蓄水構造

隧址區位于蓮花山斷裂帶南北分支之間斷裂抬升形成的地壘式地塊中，巖體裂隙發育，有許多次級構造橫雜其間，形成以北東向壓性斷裂構造和北西向張性斷裂為主，夾雜北北東與北西西以及近東西和南北向的棋盤狀構造，構成了基巖斷裂裂隙蓄水構造。

2.3 基巖含水結構系統

蓮花山斷裂帶是我國東南陸緣帶中的一條著名的深大斷裂帶，北起大埔，南及深圳，全長360 km，呈北東45°左右展布，地貌上表現為地壘山系，地壘兩側分別為五華——深圳斷裂和大埔——海豐斷裂，此外還發育一系列與之近于直交的北西向斷層。蓮花山斷裂帶的活動歷史，最早可追溯到震旦紀，經過加里東、印支——燕山等構造運動，形成了一條復雜的構造巖漿帶、熱動力變質帶以及復式褶皺帶和斷裂構造帶。新生代以來斷裂帶進入了與前不同的嶄新發展階段，新構造運動結束了本區晚白堊世末——古近紀初的寧靜狀態，斷裂復活，準平原解體，形成了現今所見的宏偉山脈[1]。

蓮花山斷裂帶所處的華南沿海廣大地區，在古近紀早、中期曾出現過大面積的準平原化，大約從漸新世開始，本區才結束了較長時間的寧靜狀態，原先廣闊的準平原面開始解體，地殼間歇性地抬升，使山前出現了多級高度不等、寬窄不一的古夷平面，經過對分布高程不同的古夷平面進行鑒別（圖1），發現古夷平面高程等值線分布具有明顯的方向性，總體上走向北東，與區內主干斷裂走向一致，少量呈北西或近東西向，分別平行于區內幾條主要的北西向斷裂或東西向斷裂，等值線形態也與不同方向斷裂所夾持的塊體形態相似，各塊體的最低等值線往往大致與主斷裂重合，而各塊體間最高一級古夷平面的高程則不同，表明古夷平面分布嚴格地受斷塊控制，顯示蓮花山斷裂帶的新構造運動特征是塊斷運動，共形成高程不一的八級夷平面（表1）。

隧址區至少發育有Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等四個高程的古夷平面，尤其是1 000 m～1 040 m高程的古夷平面廣泛發育，分布面積大。古夷平面的形成是由于五華——深圳斷裂傾向北西，大埔——海豐斷裂傾向南東，兩斷裂均為上盤下降、下盤抬升的正斷層性質。同樣的北西向斷層也多表現為正斷層，但受北東向斷裂限制，說明北西向正斷層開始活動的時間要晚于北東向正斷層。

蓮花山斷裂帶的水系發育受斷裂控制比較明顯，不但表現在河流平直、河谷狹窄、河床往往與斷裂重合等，而且還表現在整個水系格局也與構造格局一致（圖2），研究表明河網的分布易受新構造斷裂控制，這是因為新構造斷裂發生的時間較晚，很少或沒有被充填膠結，特別是張性斷裂，斷裂巖更加疏松，易于侵蝕，形成河道。因此河流的優勢方位往往代表了新構造張性斷裂的方向。

綜合蓮花山斷裂帶的新構造斷裂，主要有北東、北西和近東西向三組，其中北東向一組是老斷裂的復活，而北西和近東西向兩組除復活斷裂外，還有新生的斷裂，后者多表現在航衛片、地貌及地震上，地表露頭不明顯。新構造運動期間，蓮花山斷裂帶北東向主干斷裂早期拉張，晚期擠壓，而北西向斷裂則正好相反，斷裂的擠壓形跡大約形成與漸新世——新近紀，應與北東向斷裂的拉張同期，據研究估計北西向斷裂約在早更新世初轉為拉張，此時北東向斷裂受壓，主壓應力方向近于北西西——南東東。

綜合隧址區地形地貌、地層巖性、地質構造以及新構造運動等資料信息，結合遙感衛星影像的構造解譯成果（圖3），認為隧址區總體上表現為受NE向斷裂控制下，次級NW、NWW、NNE相互切割的構造格架。在山頂形成平緩開闊的兩級夷平面，一級是以黃棉湖水庫為代表的Ⅶ夷平面，一級是以油魚壩、桐子洋等溝谷為代表的Ⅷ夷平面，在各級夷平面上地形平緩，洼地發育，溝谷縱橫。

2.4 水文地質結構系統模型

根據隧址區巖體含水條件、含水層（帶）類型及其空間組合特征，主要分為四種含水結構體，其特征見表2。

（1）散體結構：主要由全強風化帶呈松散或半松散的巖土構成，呈面狀分布于地表淺層，多為潛水特征，對大氣降水入滲補給起決定性作用。

（2）孔隙-裂隙結構：主要由弱風化帶孔隙-裂隙介質巖體構成，沿節理面風化多微張，略松散夾泥，地下水位大多在該帶隨季節性變動，富水性好，是地下水徑流最活躍的部位。

（3）裂隙網絡結構：位于微風化、新鮮巖體中，基巖內節理面多閉合，滲透性微弱，僅對基巖含水性有一定作用。

（4）脈狀結構：微風化、新鮮巖體中地下水賦存和運移主要受控于少數張性、張扭性斷裂裂隙、壓扭性斷裂的剪漲段裂隙網絡及其滲透性，規模較大的斷層破碎帶及其影響帶可形成脈狀含水體，構成地下水集中滲流帶，受地形補給條件影響裂隙網絡結構含水體大多承壓，具有一定的連通性，匯水范圍較大，構成斷裂隙含水帶（脈），具有明顯的非均質各向異性的特點，巖性破碎，含水空間好，富水性強，具有匯聚和溝通裂隙水的作用，成為區域地下水徑流和集中滲透的通道。

根據隧址區不同含水結構體的組合特征，建立隧址區巖體水文地質結構系統模型（圖4）。巖體水文地質結構系統構成了地下水的賦存空間，控制著地下水的貯存和運移，奠定隧址區地下水流動系統的基礎。

3 水文地質流動系統分析

3.1 地下水類型

根據地下水賦存條件，隧址區地下水類型主要分為基巖裂隙水和孔隙水兩類。基巖裂隙水賦存于基巖斷層、裂隙及風化帶中，又可分為弱風化帶孔隙裂隙水和微新巖體構造裂隙水。孔隙水賦存于第四系松散堆積物及全強風化巖（土）層中。

3.1.1 松散層孔隙水

含水層主要為第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）、殘坡積層（Q4dl+el）和全強風化土。

沖洪積層（Q4al+pl）主要發育于800 m～900 m高程以上的山原區，根據本次初步調查，山原區山勢舒緩，地形較為平坦，匯水條件好，存在古河道或古湖泊沉積，厚度可能大于2 m～5 m，主要為含漂砂卵礫石，地下水位埋深淺，分布面積較大，有一定匯水范圍，儲水量豐富。

隧址區廣布的殘坡積層和全強風化土主要由含碎（礫）粘土構成，以微～弱透水為主，主要接受大氣降雨補給，受地形影響，地下水排泄條件優于賦存條件。殘坡積層和全風化土層厚度較薄，一般厚1 m～5 m，所以水量有限，以潛水為主，局部受上伏粘土層隔水作用及梯形地形影響可呈現微承壓水特征。

3.1.2 風化帶孔隙裂隙水

風化殼的發育受巖性和構造特征及地形沖刷切割條件的影響很大，局部具差異風化特征，沿節理、裂隙和構造破碎帶呈裂隙式或夾層式風化。頂部山原及緩坡處，風化殼發育厚度較大，陡坡風化殼難以保留，一般厚度較薄。

風化帶孔隙裂隙水主要賦存于中風化帶上部，呈網狀裂隙水特征，地下水位大多也位于該帶。其富水性受風化殼發育厚度及地形匯水和存水條件控制，受大氣降水入滲補給，側向徑流為主，向沖溝底部中風化帶排泄。

3.1.3 構造裂隙水

微風化及新鮮基巖，結構完整致密，塊狀構造，裂隙大多閉合，基本無含水條件，總體上呈隔水體，唯有在少數張性構造斷層、節理裂隙中才可能賦存脈狀裂隙水，其分布極不均勻，富水性受裂隙發育程度、力學性質、張開充填程度以及補給條件的影響，差異很大。受裂隙延伸及地形變化，構造裂隙水大多呈現一定的承壓性，溝谷及緩坡地下水位埋藏較淺，一般為數米至十余米，局部地段甚至自流，如K94+218 m豎井處的勘探孔，自流量達842 m3/d。山坡部位水位埋藏較深，一般為30 m～100 m以上。

4 開挖后地下水重新構建平衡系統分析

根據地形、地質及水文地質結構特征分析，隧址區地下水主要接受大氣降水入滲補給，風化帶孔隙裂隙水及孔隙水主要受地形影響，向地形低洼處徑流，于鄰近沖溝排泄，在溝源或基巖面形成滲水，形成沖溝地表徑流。以地表分水嶺為界，淺層地下水受地形控制，向低洼處匯聚排泄，形成各自的沖溝水系。研究區森林植被發育，原始生態保存完好，風化殼發育，降雨豐沛，淺層地下水排泄普遍。深部構造裂隙水則受構造裂隙發育方向控制，在區域地勢影響下，沿構造裂隙走向由地形高處向地形低處的區域排泄基準面或地質減壓帶徑流排泄，受地形切割深度影響，深部裂隙水徑流緩慢，但在隧道開挖強烈排泄的情況下，斷裂富水帶受高水頭壓力作用可以成為地下水集中噴涌通道，其溝通性和導水性得到不斷加強。

根據地下水補給、徑流和排泄循環條件和特征，可以把地下水分為三級循環。其中第三級循環主導了開挖后地下水平衡系統重新構建的工作。

（1）一級循環是局部淺層地下水小循環，主要受沖溝之間的三級分水嶺所控制，為斜坡表層殘坡積及風化裂隙水，接受大氣降水入滲補給，向近處沖溝等低洼地帶徑流排泄，是局部沖溝水系的補給來源，季節性流水。

（2）二級循環是沿較大的溪流河谷地下水的徑流排泄，一般受河流之間的二級分水嶺控制，在山頂夷平面上發育的較大河流，堆積有不同厚度的松散砂卵礫石層，賦存孔隙地下水，在地形影響下，向地形低洼處緩慢徑流，在夷平面邊緣地形陡峭部位出露與地表水匯聚形成跌水，構成山區溪流的重要補給來源，大多具有常年流水。

（3）三級循環是區域性深循環，可以受一級分水嶺控制甚至不受地表分水嶺控制，主要受較大規模的張性、張扭性斷裂帶控制，接受大氣降水、地表水以及淺層地下水的入滲補給，沿斷裂帶下滲，形成深部斷裂帶裂隙水，向區域排泄基準面或區域地質減壓帶徑流排泄，一般徑流極為緩慢，區域內應為地下熱水的補給來源。

隧道開挖后根據進口段左右洞涌水量監測的變化曲線，表明左右洞位于同一富水構造密集區域內，受到同一斷層帶控制。由于左右洞開挖進度不同以及斷層帶與隧洞呈一定角度斜交，涌水量呈現交錯起伏的變化態勢。隨隧道的掘進完成，經長期排泄水后，降落漏斗擴展至邊界，涌水量也趨于穩定，在穿越富水帶后，推測涌水量將長期維持在約6～7萬方每天，未來會緩慢減少。

5 結論

（1）從水文地質結構分析，本區除局部溝谷分布有少量第四紀沖洪積物外，均為燕山期火山巖和花崗巖構成的

基巖山體，主要受風化作用和地質構造作用形成的裂隙和斷裂構成了本區基巖裂隙水的主要賦存介質空間。由表入深分為全強風化帶和坡積物，中風化帶和微新巖體。受本區構造作用特征控制，主要以NE向和NW向兩組斷裂發育為主。從隧道分布位置來看，影響隧道施工涌水的主要是深部斷裂裂隙水。其中NE向斷裂與隧道大角度相交，且屬于縱向斷裂，NW向斷裂與隧道小角度相交，屬于橫向斷裂，兩者均具有張性和壓性多期次活動特征，是引起隧道高壓大流量涌水的主控因素。

（2）從區域蓮花山斷裂帶新構造活動特征及其間歇性抬升形成的高山夷平面研究入手，構建了隧址區地壘式水文地質結構模型，分析了其地下水流動特征。認為隧道高壓涌水來自于山原區夷

平面上的河流及平臺洼地地表水和淺層地下水的入滲補給，由于隧道底板高程低，造成大范圍地下水沿斷裂導水富水帶溝通，地表水沿斷裂帶發育，補給條件好，水量充沛，形成了隧道高壓穩定的涌水水源。隧道在開挖完成后，形成新的地下水平衡態勢，推測涌水量將長期維持在約6～7萬方每天。

參考文獻：

[1]黃玉昆，張珂.廣東蓮花山斷裂帶的新構造運動特征[J].華南地震，1990（2）：25-34.