福州登云隧道開挖對(duì)登云礦泉水的影響分析及對(duì)策

劉興學(xué)

（福建省地質(zhì)工程勘察院，福建福州350002）

新店外環(huán)路東段項(xiàng)目主線起于福州市晉安區(qū)前橫路，新建三環(huán)路園中互通，經(jīng)登云隧道至新店片區(qū)，并建設(shè)新店互通與新店外環(huán)路西段相接，終于新店外環(huán)路西段與山北路交叉口，全長(zhǎng)3.73km，為城市快速路，設(shè)雙向六車道。其中，園中互通、新店互通、登云隧道是項(xiàng)目的核心工程。登云隧道位于登云礦泉水西側(cè)55m，由東南向西北方向展布。

1 工程概況

1.1 福州登云隧道工程概況

福州登云隧道（K0+000～K2+343）全長(zhǎng)2343m，雙洞雙向六車道，每個(gè)隧道寬15.0m，洞高約8.5m。其中K0+000～K1+020段隧道為暗挖段，K1+020～K1+360段隧道為基坑明挖段，K1+360～K2+343段隧道為暗挖段。隧道埋置深度約為10～130m，擬采用礦山法施工；K1+020～K1+360段隧道埋置深度一般小于4m，設(shè)計(jì)擬考慮明挖施工[1]。

1.2 登云礦泉水概況

福州登云礦泉水位于福州市晉安區(qū)登云村下山尾自然村南西500m，登云水庫(kù)北側(cè)。該礦泉水為偏硅酸重碳酸鈣鈉型礦泉水，水溫、水量較為穩(wěn)定[2]。福州市晉安區(qū)登云礦泉水開發(fā)有限公司于1989年9月辦理了礦泉水生產(chǎn)采礦許可證，進(jìn)行礦泉水生產(chǎn)，工程規(guī)模4860t/a；2012年6月，礦泉水廠經(jīng)過升級(jí)改造，工程規(guī)模達(dá)10800t/a。現(xiàn)為福建水仙山泉飲用水有限公司開發(fā)，生產(chǎn)水仙牌山泉飲用水。

2 地質(zhì)特征

研究區(qū)地層出露較為簡(jiǎn)單，主要出露第四系更新統(tǒng)、全新統(tǒng)長(zhǎng)樂組、殘積層和侏羅系上統(tǒng)南園組晶屑凝灰?guī)r（J3n）。侵入巖為燕山晚期侵入體，巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖、中粒含黑云母花崗巖、長(zhǎng)石花崗巖和花崗斑巖。此外，還有不同期次的脈巖，巖性為花崗斑巖、正長(zhǎng)斑巖、閃長(zhǎng)斑巖、閃長(zhǎng)玢巖和輝綠巖，花崗斑巖和正長(zhǎng)斑巖脈等較集中分布于登云礦泉水周邊，呈北東東向密集出露，一般長(zhǎng)300～500m[3]。

研究區(qū)位于福州—永泰北東東向斷裂構(gòu)造帶中部，構(gòu)造形跡以斷裂為主，并伴有北北西向斷裂構(gòu)造。其中北東東向構(gòu)造以壓扭性斷裂、中酸性脈巖帶、密集節(jié)理、壓劈理以及動(dòng)力變質(zhì)帶組成[4]。區(qū)域上主要斷裂有苗圃斷裂（F1）、虎崗山斷裂（F2）、鐵坑山斷裂（F3）、烏山斷裂（F4）；北北西向張扭性斷裂：具有多次活動(dòng)的特征，是主要充水構(gòu)造。主要斷裂有洪山橋斷裂（F5）、八一水庫(kù)—王莊斷裂（F6）、鼓山斷裂（F7）。

2.1 礦區(qū)地質(zhì)條件

登云礦泉水位于山間洼地的邊緣，四周低山丘陵，東面園主山海撥597.30m，北面寨頂山海撥182.00m，東南面為鐵坑山，海撥292.10m，西面有炮山、虎崗山海撥116.60m和182.40m，登云溪由北東向南西方向徑流，經(jīng)登云水庫(kù)流入化工河，后匯入閩江。

登云礦泉水直接出露于燕山晚期花崗閃長(zhǎng)巖和花崗斑巖脈的接觸帶上，附近基巖還有燕山晚期中粒含黑云母花崗巖，脈巖走向北東東向，傾向南東，傾角70°～80°，泉水附近基巖表面有薄層風(fēng)化殘積層覆蓋，第四系沖洪積砂礫卵石和砂質(zhì)粘土沿登云溪兩側(cè)狹長(zhǎng)條帶狀分布，構(gòu)成一、二級(jí)階地。

虎崗山斷裂（F2）是控制礦泉水的主要構(gòu)造，斷裂帶中巖石破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，蝕變強(qiáng)烈，并見擠壓構(gòu)造角礫巖，構(gòu)造破碎帶給地下水徑流賦存提供了良好的通道，鉆孔揭破碎帶時(shí)，出現(xiàn)大量漏水現(xiàn)象，單孔涌水量最大達(dá)363m3/d，在地表可見破碎帶有多次脈巖侵入。登云礦泉水位于該斷層的東南側(cè)，礦泉出露于花崗斑巖脈中，地下水的補(bǔ)徑排與該構(gòu)造具有直接的水力聯(lián)系。

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水含水巖組、基巖風(fēng)化孔隙裂隙水含水巖組和基巖構(gòu)造裂隙水含水巖組三種類型[5]。

（1）第四系松散巖類孔隙水含水巖組：含水層巖性為砂礫卵石等，厚度3.0～15.0m，為孔隙潛水。含水層頂板為素填土、粘性土，底板為殘積粘性土或中（微）化花崗巖。含水層主要分布在礦區(qū)東側(cè)沿登云溪及周邊分布。

（2）基巖風(fēng)化孔隙裂隙水含水巖組：含水層巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化(散體—碎塊狀)花崗巖，厚度5.0～40.0m。地下水主要賦存于巖石風(fēng)化孔隙裂隙中，為似層狀含水層，地下水位埋深3.0～15.0m。地下水以潛水為主，局部為承壓水。含水層頂板巖性為殘積粘性土或殘積砂質(zhì)粘性土，為相對(duì)隔水層，厚度1.0～5.0m，底板巖性為中（微）化花崗巖，含構(gòu)造裂隙水。該含水層在礦區(qū)北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)均有分布，分布較為廣泛。

（3）基巖構(gòu)造裂隙水含水巖組：含水層巖性主要為中（微）風(fēng)化花崗巖、花崗斑巖等，含水層呈脈狀分布，地下水具各向異性，地下水主要賦存于基巖構(gòu)造裂隙碎破帶、脈巖與花崗巖接觸破碎帶中，含水層呈條帶狀分布，兩組斷裂構(gòu)造交匯處巖石破碎為地下水的主要富集帶。地下水位埋深一般為0～3.0m，地下水以承壓水為主。登云礦泉水為該層水，出露于花崗斑巖與花崗巖接觸帶部位，地下水水頭高出地表呈自流狀態(tài)。

3 隧道開挖對(duì)礦泉水的影響分析

登云隧道開挖走向?yàn)镹W290°，隧道線路全長(zhǎng)2343m，雙洞雙向六車道，每個(gè)隧道寬15.0m，洞高約8.5m，隧道埋置深度約為4～130m，擬采用礦山暗挖法施工，其中K1+020～K1+360段隧道埋置深度一般小于4m，設(shè)計(jì)擬考慮明挖施工。隧道路面設(shè)計(jì)由南至北標(biāo)高為46.7～70.0m；礦泉水廠區(qū)及隧道北段YK1+320～YK1+360為明挖施工，YK1+360～YK1+380為暗挖施工，路面高程為52.0～61.0m。隧道在施工過程中在洞兩側(cè)均設(shè)有縱向排水溝（圖1），隧道建成后形成洞內(nèi)、洞外兩套排水系統(tǒng)，將地下水通過縱向排水管排出隧洞口。隧道通車運(yùn)行后，保留隧道內(nèi)、外排水系統(tǒng)，隧道排水長(zhǎng)期存在。

登云隧道K1+020～K1+360段擬考慮明挖施工，地下水將通過人工井點(diǎn)降水。隧道建成后，隧道內(nèi)設(shè)有排水系統(tǒng)并與前后隧洞連接，內(nèi)排水管坡度同隧道縱坡，將隧洞內(nèi)水排至隧道進(jìn)口處匯入洞外路基邊溝排走。因此，隧洞施工時(shí)期及建成后，對(duì)隧道底板之上的地下水起一種長(zhǎng)期疏干作用，最后達(dá)到均衡穩(wěn)定的狀態(tài)。隧道周邊的地下水因隧道開挖導(dǎo)至水位下降，隧道建成后其地下水水位不會(huì)恢復(fù)到隧道開挖前的水位。

由于隧道走向與研究區(qū)內(nèi)的主要含水構(gòu)造F2及脈巖走向呈大角度相交，隧道開挖過程及建成后的排水，將引發(fā)形成以隧道軸線為中心的水位降落漏斗，即隧道周邊區(qū)域地下水向隧道內(nèi)徑流并通過隧道排水溝向地表排泄。使周邊地下水呈長(zhǎng)期定水頭疏干狀態(tài)，隧道開挖前后地下水位變化見圖2。根據(jù)周邊同類型水文單元地下水供水井的水文地質(zhì)參數(shù)，采用類比的方法[6]，假設(shè)礦泉水廠附近隧道水位穩(wěn)定標(biāo)高為45m（即降深20m左右），涌水量300m3/d，滲透系數(shù)為0.479m/d，影響半徑為138m（降深50m，影響半徑達(dá)300m），通過計(jì)算，隧道西側(cè)的登云礦泉水自涌泉處的水位下降深度達(dá)9m（標(biāo)高54.0m），低于井底標(biāo)高(60.0m)約6.0m，該井將呈干枯狀態(tài)；隧道建成后其地下水位不會(huì)恢復(fù)至原位。因此，隧道開挖及建成后將直接導(dǎo)致登云礦泉水自涌泉干枯。

4 對(duì)策

登云礦泉水自涌泉西側(cè)為基巖及脈巖隆起區(qū)，地下水直接從基巖裂隙中涌出，為基巖構(gòu)造裂隙水。登云隧道中的地下水和自涌泉井同屬于一個(gè)含水層，由于隧道開挖標(biāo)高低于礦泉水出水位置標(biāo)高，隧道開挖會(huì)引起沿隧道軸線周邊地下水位的下降，形成地下水位降落漏斗，對(duì)礦泉水自涌泉有疏干的作用，影響礦泉水廠的生產(chǎn)。隧道開挖對(duì)深層地下水影響較小或無影響。因此，登云礦泉水水源可以通過淺井開采改為深井開采，以減輕或避免隧道開挖對(duì)礦泉水廠生產(chǎn)的影響。

登云礦泉水廠區(qū)受北東向構(gòu)造的影響，基巖裂隙較為發(fā)育，為地下水的賦存運(yùn)移創(chuàng)造了有利條件。登云隧道開挖對(duì)礦泉水廠區(qū)標(biāo)高46m以上的地下水影響較大，對(duì)深部地下水影響有限。礦泉水廠區(qū)地下水含水層有風(fēng)化帶孔隙裂隙水和基巖構(gòu)造裂隙水兩種類型，基巖風(fēng)化帶孔隙裂隙水為似層狀含水層，大部分地段為潛水，局部為承壓水，該層地下水受人類工程活動(dòng)影響較為明顯，該層地下水多項(xiàng)指標(biāo)（如氨氮、細(xì)菌總數(shù)等）達(dá)不到礦泉水水質(zhì)要求[7]；基巖裂隙水主要賦存于花崗斑巖與花崗巖接觸帶、構(gòu)造斷裂破碎帶中，地下水主要受山區(qū)降水入滲補(bǔ)給，在低洼區(qū)多數(shù)向上部風(fēng)化帶孔隙裂隙含水層補(bǔ)給，或以泉的形式排泄于地表，受人類工程活動(dòng)影響較小，地下水質(zhì)較好。

圖1 登云隧道洞內(nèi)和洞外排水系統(tǒng)示意圖

圖2 登云隧道開挖帶前后地下水位線變化圖

通過對(duì)礦泉水廠區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排條件及隧道工程的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行綜合性分析，區(qū)域性斷裂構(gòu)造F2長(zhǎng)約14km，斷裂帶切割較深，地下水補(bǔ)給源較遠(yuǎn)，水量豐富，水質(zhì)較好，是場(chǎng)地內(nèi)理想的替代水源，在礦泉水廠區(qū)其埋深約300～400m，可通過鉆孔揭露該含水層（詳見圖3），采用深層地下水作為礦泉水源。通過潛水電泵開采礦泉水，能保證礦泉水廠生產(chǎn)的用水量要求，且能有效減輕或避免因人類工程活動(dòng)給礦泉水源造成的污染。深層地下水經(jīng)過深循環(huán)作用，部分礦物質(zhì)背景值有偏高的可能（如氟離子、偏硅酸、礦化度等），水質(zhì)能否達(dá)到礦泉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行勘探工作，以探采結(jié)合的形式進(jìn)行勘探工作效果較好。

圖3 隧道走向與F2構(gòu)造及脈巖關(guān)系剖面示意圖

5 結(jié)語

登云隧道施工開挖及建成后，由于地下水匯流的作用，沿隧道軸線將形成地下水位降落漏斗，對(duì)隧道沿線周邊淺層地下水影響較大，將導(dǎo)至大部分淺井、自涌泉消失。登云礦泉水自涌泉井因水位下降可能出現(xiàn)干枯現(xiàn)象，影響礦泉水廠的生產(chǎn)。

為避免隧道開挖對(duì)礦泉水廠生產(chǎn)的影響，可通過施工深井等措施。建議在礦泉水廠區(qū)內(nèi)F2斷裂構(gòu)造通過的位置施工一口探采結(jié)合井，孔深300～400m段的地下水，并進(jìn)行抽水試驗(yàn)和水質(zhì)分析。若分析結(jié)果水質(zhì)達(dá)到礦泉水要求，可作為礦泉水廠的替代水源，以解決由于隧道開挖給礦泉廠生產(chǎn)造成的影響。