鸿图特长隧道水文地质结构系统模型耦合分析

郭创川 周先平

摘 要：莲花山断裂带分布在我国东南陆缘，是一条重要的深大断裂带，长360公里，呈北东45°左右展布，其控制了粤东沿海山脉的走向以及盆地、水系的分布。自印支运动以来，经历了多次的挤压与拉张作用，使得莲花山断裂带内地质条件十分复杂，也必然加剧了在此断裂带内开挖的鸿图隧道的挑战性。本文综合鸿图隧道的地形地貌、地层岩性、地质构造以及新构造运动，结合遥感卫星影像的构造解译成果，认为隧址区总体上表现为受NE向断裂控制下，次级NW、NWW、NNE相互切割的构造格架。在山顶形成平缓开阔的两级夷平面，地形平缓，洼地发育，沟谷纵横。根据隧址区不同含水结构体的组合特征，建立隧址区岩体水文地质结构系统模型。岩体水文地质结构系统构成了地下水的赋存空间，控制着地下水的贮存和运移，直至开挖完成后形成了稳定的地下水平衡模式。

关键词：莲花山断裂;特长隧道;水文地质;系统分析

中图分类号：U456 文献标识码：A

0 引言

隧道突涌水问题是长大深埋隧道建设、设计和施工中必须深究的问题，不仅影响隧道施工安全还对周边的自然环境造成极大的影响。鸿图特长隧道穿越莲花山断裂构造，受构造运动影响隧道地质条件极其复杂，沿张开裂隙构造形成导水结构。为了揭示其水文地质结构特点，本文结合隧址区的结构特点，建立隧址区岩体水文地质结构系统模型，系统分析研究了地下水的赋存、贮存和运移，隧道开挖后地下水重新构建系统平衡分析。

1 隧址区自然地理地质概况

鸿图特长隧道左线隧道里程ZK89+380 m～ZK95+716 m，设计总长6 336 m;右线隧道里程K89+392 m～K95+742 m，设计总长6 350 m，为特长隧道，按高速公路标准设计，为分离式双向四车道，设计行车速度100 km/h。设计隧道底标高239 m～344 m，隧道最大埋深740 m。

隧址区属南亚热带季风气候区，光照充足，雨量充沛，年平均气温21.2℃（五华）～21.7℃（丰顺），多年平均降雨量1 519.7 mm（五华）～1 865.6 mm（丰顺），位于韩江和榕江两大水系的分水岭区域，溪沟发育，多年平均径流量27.356×108 m3。隧址区两侧斜坡地段大多数冲沟狭窄，汇水面积不大，受降雨影响季节性流水，有人工建设的水库和山塘。

隧址区位于粤东莲花山脉中段，属于中低山构造剥蚀侵蚀地貌，地表植被发育，最低点位于隧道南东榕树下一带山沟，海拔50.0 m，最高点位于隧道K92+130 m左（南西）约300 m的黄棉湖顶，海拔1 062.0 m，地面标高50.0 m～

1 062.0 m，相对高差约1 012.0 m。洞身段山体浑厚，地形在800 m高程左右为明显转折段，其上地形相对切割深度较小，起伏不大，多分布平台和洼地，为区域最高一级夷平面。

山顶夷平面坡度較为平缓，汇水面积大，发育较大的溪流，多常年有水。在隧址附近的油鱼坝冲沟中堆积大块卵砾石，反映其具有山区河流发育的特征或者季节性山区洪水特征，其下为陡坡地段，坡陡沟短。飞泉水库上游山塘周围的数条引水隧洞均为从油鱼坝下泄的溪沟引水所建，由此可见由山顶夷平面发育的溪流具有较大的流量。而在隧址区NE和SW两侧均发育有多条较大的山区河流，如深坑、上肚坑、赤狗坝坑等。推测山顶夷平面区域河流发育，汇水面积大、条件好，应存在隐伏或埋藏古河道沉积层，浅层孔隙含水层发育，水量丰富。

2 水文地质结构系统分析

2.1 含水介质

根据隧址区分布和出露的地层岩性特征分析，隧址区含水介质主要有第四系松散堆积物孔隙含水介质、花岗岩和安山岩类风化壳风化裂隙含水介质和微新岩体断裂裂隙含水介质。

2.1.1 第四系松散堆积物孔隙含水介质

隧址区地表覆盖不厚的残坡积层，岩性为粉质粘土或砂质、砾质粘土，厚度一般小于3.0 m，渗透系数经验值K=0.1 m/d。

山顶夷平面广泛发育冲沟及地表溪流，溪沟中分布一定厚度的冲洪积砂卵砾石层，厚度一般小于1.0 m。渗透系数经验值K=50 m/d。

在800 m～900 m高度的冲沟中均见到大量磨圆度较好的大块卵砾石堆积，在油鱼坝、桐子洋等地的溪沟中还看到山区河流发育的壶穴以及砂卵砾石层，成为表层地下水的良好赋存空间。

2.1.2 基岩风化壳风化裂隙含水介质

隧址区基岩主要为侏罗系火山岩和燕山期花岗岩。安山岩类岩性以安山玢岩为主，为深灰色细粒结构或斑状结构，块状构造，新鲜岩质坚硬。花岗岩岩性均为细粒-中粗粒黑云母二长花岗岩，为灰白色、灰黑色、斑状、细粒或中粗粒花岗结构、块状构造，新鲜岩质坚硬。基岩表层广泛接受长期的风化作用形成较厚的风化壳，发育风化裂隙，构成风化壳风化裂隙含水介质。风化作用受火成岩结构构造、矿物成分等影响，隧址区山顶及缓坡带全～强风化岩体较发育，冲沟及地形较陡山坡多为中风化出露。中风化带局部受断层、节理（裂隙）影响，具裂隙式和夹层式风化特征。在地壳长期相对稳定和间隙性抬升运动的过程中，地表岩石经历了长期风化营力的作用，发育了不同程度的风化壳，具有明显的垂直分带特征。

（1）全风化带。全风化带为表层土壤风化带，为黄、灰黄色砂质粘土、粉质粘土，广泛分布于山原和山坡平缓处，风化土粘粒含量较高，厚度在6 m～8.5 m，渗透系数经验值K=0.1 m/d。

（2）强风化带。强风化带为土壤带以下的风化土层，仍保留原岩结构，除石英未完全风化外，其它矿物均已成高岭土类，手捏易碎，多分布于缓坡地带，厚度约1 m～

40 m，渗透系数经验值K=0.05 m/d～0.1 m/d。

（3）中风化带。中风化带岩石沿裂隙风化，间夹完整块石。上带裂隙连通，下带裂隙勾通性弱。厚度4 m～30 m，渗透系数经验值K=0.03 m/d。

（4）微风化带。微风化带岩体沿裂隙稍有风化，裂隙连通性差，岩石呈块状结构，岩质坚硬，厚度小于25 m，平均透系数经验值K=0.008 m/d。

2.1.3 新鲜岩体断裂裂隙含水介质

新鲜岩体一般较为完整、坚硬，主要含水介质为岩体中发育的构造断裂和裂隙。隧址区总体上表现为受NE向和NW向断裂控制下，次级NWW近EW向和NNE近SN向断裂相互切割的构造格架。断裂裂隙的水文地质性质与断裂的力学性质、规模、发育时代以及活动特性密切相关。

2.2 蓄水构造模式

受区域性莲花山深大断裂多期次活动影响，隧址区地质构造较为复杂，主要表现为由安山岩形成的复式向斜以及广泛发育纵横交错的断裂构造。根据含水介质发育特征与地质构造组合关系，隧址区主要蓄水构造类型有桐子洋向斜蓄水构造、岩体侵入接触蓄水构造和断裂裂隙蓄水构造。

2.2.1 桐子洋复向斜蓄水构造

桐子洋向斜主体位于丰顺县一带。褶皱形态为开阔型褶皱，次级褶皱发育。褶皱轴线方向NE50°，褶皱长25 km，宽25 km。复向斜核部为上侏罗统南山村组，翼部由上侏罗统水底山组和中上侏罗统热水洞组组成。北西翼倾向145°～175°，倾角35°;南东翼倾向310°～350°，倾角40°～65°。该复向斜两翼的次级褶皱也极为发育。复向斜后期被北东向、东西向和北西向断裂切割，支离破碎，呈断块展露，局部被燕山期黑云母花岗岩侵蚀。隧道进口～K92+100段经过该褶皱带，总体上位于该褶皱带的转折端至北西翼过渡带，主要表现为由火山岩构成向斜构造。向斜构造的发育往往具有较好的赋水汇水条件，成为地下水汇聚富集的场所。

2.2.2 岩体侵入接触带蓄水构造

岩体侵入接触带，由于受到强烈的挤压、烘烤、蚀变等地质作用，一般岩性较为破碎，形成基岩裂隙水的良好赋存空间。隧址区不仅有火山岩与花岗岩的侵入接触带，还有不同期次花岗岩的侵入接触带，成为基岩地下水赋存的重要场所。

隧址区基岩主要为侏罗系火山岩和燕山期花岗岩。两者接触带位置位于K92+180 m附近，呈侵入接触关系，以东为安山岩类，以西为花岗岩类。

燕山期花岗岩存在多期次侵入，以侏罗纪、白垩纪侵入为主，两期花岗岩约在K94+500 m附近位置呈叠加侵入接触关系。以西为侏罗纪晚期二长花岗岩，以东为白垩纪晚期二长花岗岩。

2.2.3 断裂带蓄水构造

隧址区位于莲花山断裂带南北分支之间断裂抬升形成的地垒式地块中，岩体裂隙发育，有许多次级构造横杂其间，形成以北东向压性断裂构造和北西向张性断裂为主，夹杂北北东与北西西以及近东西和南北向的棋盘状构造，构成了基岩断裂裂隙蓄水构造。

2.3 基岩含水结构系统

莲花山断裂带是我国东南陆缘带中的一条著名的深大断裂带，北起大埔，南及深圳，全长360 km，呈北东45°左右展布，地貌上表现為地垒山系，地垒两侧分别为五华——深圳断裂和大埔——海丰断裂，此外还发育一系列与之近于直交的北西向断层。莲花山断裂带的活动历史，最早可追溯到震旦纪，经过加里东、印支——燕山等构造运动，形成了一条复杂的构造岩浆带、热动力变质带以及复式褶皱带和断裂构造带。新生代以来断裂带进入了与前不同的崭新发展阶段，新构造运动结束了本区晚白垩世末——古近纪初的宁静状态，断裂复活，准平原解体，形成了现今所见的宏伟山脉[1]。

莲花山断裂带所处的华南沿海广大地区，在古近纪早、中期曾出现过大面积的准平原化，大约从渐新世开始，本区才结束了较长时间的宁静状态，原先广阔的准平原面开始解体，地壳间歇性地抬升，使山前出现了多级高度不等、宽窄不一的古夷平面，经过对分布高程不同的古夷平面进行鉴别（图1），发现古夷平面高程等值线分布具有明显的方向性，总体上走向北东，与区内主干断裂走向一致，少量呈北西或近东西向，分别平行于区内几条主要的北西向断裂或东西向断裂，等值线形态也与不同方向断裂所夹持的块体形态相似，各块体的最低等值线往往大致与主断裂重合，而各块体间最高一级古夷平面的高程则不同，表明古夷平面分布严格地受断块控制，显示莲花山断裂带的新构造运动特征是块断运动，共形成高程不一的八级夷平面（表1）。

隧址区至少发育有Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等四个高程的古夷平面，尤其是1 000 m～1 040 m高程的古夷平面广泛发育，分布面积大。古夷平面的形成是由于五华——深圳断裂倾向北西，大埔——海丰断裂倾向南东，两断裂均为上盘下降、下盘抬升的正断层性质。同样的北西向断层也多表现为正断层，但受北东向断裂限制，说明北西向正断层开始活动的时间要晚于北东向正断层。

莲花山断裂带的水系发育受断裂控制比较明显，不但表现在河流平直、河谷狭窄、河床往往与断裂重合等，而且还表现在整个水系格局也与构造格局一致（图2），研究表明河网的分布易受新构造断裂控制，这是因为新构造断裂发生的时间较晚，很少或没有被充填胶结，特别是张性断裂，断裂岩更加疏松，易于侵蚀，形成河道。因此河流的优势方位往往代表了新构造张性断裂的方向。

综合莲花山断裂带的新构造断裂，主要有北东、北西和近东西向三组，其中北东向一组是老断裂的复活，而北西和近东西向两组除复活断裂外，还有新生的断裂，后者多表现在航卫片、地貌及地震上，地表露头不明显。新构造运动期间，莲花山断裂带北东向主干断裂早期拉张，晚期挤压，而北西向断裂则正好相反，断裂的挤压形迹大约形成与渐新世——新近纪，应与北东向断裂的拉张同期，据研究估计北西向断裂约在早更新世初转为拉张，此时北东向断裂受压，主压应力方向近于北西西——南东东。

综合隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造以及新构造运动等资料信息，结合遥感卫星影像的构造解译成果（图3），认为隧址区总体上表现为受NE向断裂控制下，次级NW、NWW、NNE相互切割的构造格架。在山顶形成平缓开阔的两级夷平面，一级是以黄棉湖水库为代表的Ⅶ夷平面，一级是以油鱼坝、桐子洋等沟谷为代表的Ⅷ夷平面，在各级夷平面上地形平缓，洼地发育，沟谷纵横。

2.4 水文地质结构系统模型

根据隧址区岩体含水条件、含水层（带）类型及其空间组合特征，主要分为四种含水结构体，其特征见表2。

（1）散体结构：主要由全强风化带呈松散或半松散的岩土构成，呈面状分布于地表浅层，多为潜水特征，对大气降水入渗补给起决定性作用。

（2）孔隙-裂隙结构：主要由弱风化带孔隙-裂隙介质岩体构成，沿节理面风化多微张，略松散夹泥，地下水位大多在该带随季节性变动，富水性好，是地下水径流最活跃的部位。

（3）裂隙网络结构：位于微风化、新鲜岩体中，基岩内节理面多闭合，渗透性微弱，仅对基岩含水性有一定作用。

（4）脉状结构：微风化、新鲜岩体中地下水赋存和运移主要受控于少数张性、张扭性断裂裂隙、压扭性断裂的剪涨段裂隙网络及其渗透性，规模较大的断层破碎带及其影响带可形成脉状含水体，构成地下水集中渗流带，受地形补给条件影响裂隙网络结构含水体大多承压，具有一定的連通性，汇水范围较大，构成断裂隙含水带（脉），具有明显的非均质各向异性的特点，岩性破碎，含水空间好，富水性强，具有汇聚和沟通裂隙水的作用，成为区域地下水径流和集中渗透的通道。

根据隧址区不同含水结构体的组合特征，建立隧址区岩体水文地质结构系统模型（图4）。岩体水文地质结构系统构成了地下水的赋存空间，控制着地下水的贮存和运移，奠定隧址区地下水流动系统的基础。

3 水文地质流动系统分析

3.1 地下水类型

根据地下水赋存条件，隧址区地下水类型主要分为基岩裂隙水和孔隙水两类。基岩裂隙水赋存于基岩断层、裂隙及风化带中，又可分为弱风化带孔隙裂隙水和微新岩体构造裂隙水。孔隙水赋存于第四系松散堆积物及全强风化岩（土）层中。

3.1.1 松散层孔隙水

含水层主要为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、残坡积层（Q4dl+el）和全强风化土。

冲洪积层（Q4al+pl）主要发育于800 m～900 m高程以上的山原区，根据本次初步调查，山原区山势舒缓，地形较为平坦，汇水条件好，存在古河道或古湖泊沉积，厚度可能大于2 m～5 m，主要为含漂砂卵砾石，地下水位埋深浅，分布面积较大，有一定汇水范围，储水量丰富。

隧址区广布的残坡积层和全强风化土主要由含碎（砾）粘土构成，以微～弱透水为主，主要接受大气降雨补给，受地形影响，地下水排泄条件优于赋存条件。残坡积层和全风化土层厚度较薄，一般厚1 m～5 m，所以水量有限，以潜水为主，局部受上伏粘土层隔水作用及梯形地形影响可呈现微承压水特征。

3.1.2 风化带孔隙裂隙水

风化壳的发育受岩性和构造特征及地形冲刷切割条件的影响很大，局部具差异风化特征，沿节理、裂隙和构造破碎带呈裂隙式或夹层式风化。顶部山原及缓坡处，风化壳发育厚度较大，陡坡风化壳难以保留，一般厚度较薄。

风化带孔隙裂隙水主要赋存于中风化带上部，呈网状裂隙水特征，地下水位大多也位于该带。其富水性受风化壳发育厚度及地形汇水和存水条件控制，受大气降水入渗补给，侧向径流为主，向冲沟底部中风化带排泄。

3.1.3 构造裂隙水

微风化及新鲜基岩，结构完整致密，块状构造，裂隙大多闭合，基本无含水条件，总体上呈隔水体，唯有在少数张性构造断层、节理裂隙中才可能赋存脉状裂隙水，其分布极不均匀，富水性受裂隙发育程度、力学性质、张开充填程度以及补给条件的影响，差异很大。受裂隙延伸及地形变化，构造裂隙水大多呈现一定的承压性，沟谷及缓坡地下水位埋藏较浅，一般为数米至十余米，局部地段甚至自流，如K94+218 m竖井处的勘探孔，自流量达842 m3/d。山坡部位水位埋藏较深，一般为30 m～100 m以上。

4 开挖后地下水重新构建平衡系统分析

根据地形、地质及水文地质结构特征分析，隧址区地下水主要接受大气降水入渗补给，风化带孔隙裂隙水及孔隙水主要受地形影响，向地形低洼处径流，于邻近冲沟排泄，在沟源或基岩面形成渗水，形成冲沟地表径流。以地表分水岭为界，浅层地下水受地形控制，向低洼处汇聚排泄，形成各自的冲沟水系。研究区森林植被发育，原始生态保存完好，风化壳发育，降雨丰沛，浅层地下水排泄普遍。深部构造裂隙水则受构造裂隙发育方向控制，在区域地势影响下，沿构造裂隙走向由地形高处向地形低处的区域排泄基准面或地质减压带径流排泄，受地形切割深度影响，深部裂隙水径流缓慢，但在隧道开挖强烈排泄的情况下，断裂富水带受高水头压力作用可以成为地下水集中喷涌通道，其沟通性和导水性得到不断加强。

根据地下水补给、径流和排泄循环条件和特征，可以把地下水分为三级循环。其中第三级循环主导了开挖后地下水平衡系统重新构建的工作。

（1）一级循环是局部浅层地下水小循环，主要受冲沟之间的三级分水岭所控制，为斜坡表层残坡积及风化裂隙水，接受大气降水入渗补给，向近处冲沟等低洼地带径流排泄，是局部冲沟水系的补给来源，季节性流水。

（2）二级循环是沿较大的溪流河谷地下水的径流排泄，一般受河流之间的二级分水岭控制，在山顶夷平面上发育的较大河流，堆积有不同厚度的松散砂卵砾石层，赋存孔隙地下水，在地形影响下，向地形低洼处缓慢径流，在夷平面边缘地形陡峭部位出露与地表水汇聚形成跌水，构成山区溪流的重要补给来源，大多具有常年流水。

（3）三级循环是区域性深循环，可以受一级分水岭控制甚至不受地表分水岭控制，主要受较大规模的张性、张扭性断裂带控制，接受大气降水、地表水以及浅层地下水的入渗补给，沿断裂带下渗，形成深部断裂带裂隙水，向区域排泄基准面或区域地质减压带径流排泄，一般径流极为缓慢，区域内应为地下热水的补给来源。

隧道开挖后根据进口段左右洞涌水量监测的变化曲线，表明左右洞位于同一富水构造密集区域内，受到同一断层带控制。由于左右洞开挖进度不同以及断层带与隧洞呈一定角度斜交，涌水量呈现交错起伏的变化态势。随隧道的掘进完成，经长期排泄水后，降落漏斗扩展至边界，涌水量也趋于稳定，在穿越富水带后，推测涌水量将长期维持在约6～7万方每天，未来会缓慢减少。

5 结论

（1）从水文地质结构分析，本区除局部沟谷分布有少量第四纪冲洪积物外，均为燕山期火山岩和花岗岩构成的

基岩山体，主要受风化作用和地质构造作用形成的裂隙和断裂构成了本区基岩裂隙水的主要赋存介质空间。由表入深分为全强风化带和坡积物，中风化带和微新岩体。受本区构造作用特征控制，主要以NE向和NW向两组断裂发育为主。从隧道分布位置来看，影响隧道施工涌水的主要是深部断裂裂隙水。其中NE向断裂与隧道大角度相交，且属于纵向断裂，NW向断裂与隧道小角度相交，属于横向断裂，两者均具有张性和压性多期次活动特征，是引起隧道高压大流量涌水的主控因素。

（2）从区域莲花山断裂带新构造活动特征及其间歇性抬升形成的高山夷平面研究入手，构建了隧址区地垒式水文地质结构模型，分析了其地下水流动特征。认为隧道高压涌水来自于山原区夷

平面上的河流及平台洼地地表水和浅层地下水的入渗补给，由于隧道底板高程低，造成大范围地下水沿断裂导水富水带沟通，地表水沿断裂带发育，补给条件好，水量充沛，形成了隧道高压稳定的涌水水源。隧道在开挖完成后，形成新的地下水平衡态势，推测涌水量将长期维持在约6～7万方每天。

参考文献：

[1]黄玉昆，张珂.广东莲花山断裂带的新构造运动特征[J].华南地震，1990（2）：25-34.