溫嶺觀夕硐古采石場工程地質(zhì)條件評價

祝介旺，李麗慧，田洪水，傅燕，羅巧慧，何萬通

（1山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；3浙江省龍游縣龍游石窟研究所，龍游 324400；4溫嶺長嶼硐天旅游實(shí)業(yè)有限公司，溫嶺 317502）

1 前言

長嶼硐天的觀夕洞等28個大型古洞室群，約有1 314個洞室，是由于地下采石活動而形成的。被評為AAAA景區(qū)、世界地質(zhì)公園、國家級礦山公園和國家級風(fēng)景名勝區(qū)。圖1繪出了觀夕洞古洞室群的分布圖。

圖1 觀夕洞古洞室群分布圖Fig.1 Distribution of Guanxi ancient caver ns

據(jù)考古論證，長嶼硐天的采石活動，向上可追溯到南北朝，向下可到20世紀(jì)的80年代。在上述的1 314個洞室中，有很多洞室的規(guī)模都很大，其中多個洞室的跨度大于40 m，高度可超過50 m。根據(jù)《軍隊(duì)地下工程勘察規(guī)范》［1]（1997）的界定，它們屬于大型地下工程。

這些規(guī)模巨大的因古代采石而形成的洞室群，讓我們看到了一個很有意義的科學(xué)問題，即這些規(guī)模巨大的洞室群何以千年穩(wěn)定而不倒？參照其他大型古地下工程的研究結(jié)論［2－5]，洞室群的長期穩(wěn)定除了與洞室結(jié)構(gòu)、洞型等這些人為的開采因素有關(guān)外，主要是由于洞室圍巖具有良好的工程地質(zhì)條件。為此，作者開展了相關(guān)研究。但由于長嶼硐天的古洞室群很多，所以本文僅選擇有代表性的觀夕洞洞室群進(jìn)行工程地質(zhì)條件研究。

2 長嶼硐天區(qū)域構(gòu)造、水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌及氣候

長嶼硐天位于浙江省溫嶺市新河鎮(zhèn)的長嶼。研究區(qū)內(nèi)岡巒起伏，曲折綿延，山脈以北東走向?yàn)橹?，地勢南高北低，海拔約為100～400 m。其東側(cè)分布有獅巖頭－上方洞山脈，最高峰的海拔為390.1 m；其北緣的河口平原海拔僅為3～5 m。氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫17℃～18℃。年平均降雨量1 200～2 000 mm。

2.2 地層

浙江省區(qū)域地質(zhì)資料表明［6－8]，處于浙江東南沿海火山巖帶東南端的溫嶺地區(qū)，其中生代火山活動劇烈，火山巖分布廣泛。除第四系外，均為中生代上侏羅統(tǒng)磨石群火山沉積巖系。表1列出了與長嶼硐天大型古地下采石場洞室群及其穩(wěn)定性直接有關(guān)的4個侏羅系地層和其中西山頭組（J3X）的3個巖性段。

表1 溫嶺地層劃分簡表Table 1 Wenling stratigraphic division

西山頭組（J3x）主要分布在溫嶺與聯(lián)樹鎮(zhèn)一線的東、西兩側(cè)，面積約為120.5 k m2。受晉岙等火山構(gòu)造控制。根據(jù)其火山噴發(fā)特征及巖性組合，又可將之分為3個巖性段（表1）。根據(jù)對研究區(qū)主要大型古地下采石場洞室群的現(xiàn)場考察，其圍巖應(yīng)屬于上述西山頭組一段和二段的巖石。所以這里擬對它們的巖性作進(jìn)一步描述：

（1）西山頭組一段（J3x1）

厚度大于253 m。主要巖性為淺灰－灰紫色流紋質(zhì)玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)含角礫晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r，間夾多層沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)細(xì)、粉砂巖等。

（2）西山頭組二段（J3x2）

厚度大于170 m。主要巖性為灰白－灰紫色流紋質(zhì)含角礫玻屑凝灰?guī)r、流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r、流紋質(zhì)凝灰角礫巖，局部夾紫紅色凝灰質(zhì)砂巖、沉凝灰?guī)r。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造［8]

就長嶼硐天所在地溫嶺地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造而言，北東向斷裂最為發(fā)育，主要分布于西坑里－肖樹和帽嶺頭－上村一帶，規(guī)模較大。斷層面較為平直，陡傾角，并見斜沖擦痕、劈理和構(gòu)造透鏡體。整個構(gòu)造帶寬約12 k m，在研究區(qū)內(nèi)長約16 k m；北西向斷裂是形成較晚的一組斷裂。其中紫皋陸－金山頭斷裂的規(guī)模較大，傾角較陡。在溫嶺地區(qū)出露長度約4～7 k m，破碎帶最寬達(dá)30 m。斷面表現(xiàn)為張性－張扭性，呈鋸齒狀。該斷層的紫皋陸（村）位于觀夕洞的S70°E方向，兩者相距僅為4 k m左右；另外，東西向斷裂形成年代較早，但規(guī)模一般不大。主要有毛山頭－黃古塘斷裂帶及仙人尖腳、陳岙?dāng)嗔眩詨盒詾橹?；至于南北向斷裂的?guī)模一般較小。主要有小岙－花蕊斷裂、河新基－亭頭斷裂等。斷裂長度2～3 k m，傾角較陡。斷面較平直，屬壓性，破碎帶寬5～30 m。

2.4 水文地質(zhì)條件［9]

該區(qū)氣候溫潤，降水豐富，為地下水的形成提供了充足的補(bǔ)給水源。在長嶼硐天景區(qū)，除存在松散堆積層孔隙水和由中、上更新統(tǒng)沖積、洪－沖積層組成的承壓含水層的承壓水外，還存在豐富的火山巖類構(gòu)造裂隙水。具體又分為凝灰?guī)r、流紋質(zhì)構(gòu)造裂隙水和中酸性熔巖風(fēng)化構(gòu)造裂隙水等兩類。后者出露的泉水較多，但其流量通常小于1 t／h。

降水是研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源。在8～9月份常有臺風(fēng)，降水強(qiáng)度大，并導(dǎo)致大部分呈地表水排泄；在4～6月份，為梅雨季節(jié)，相應(yīng)降水強(qiáng)度小，持續(xù)時間長，有利于地下水的補(bǔ)給。

另外，由于山區(qū)地形切割較強(qiáng)，所以山溪性河流特別發(fā)育。一般以河流排泄地下水為主。現(xiàn)場調(diào)查還表明，因地下水的運(yùn)動受局部地形的控制，排水基準(zhǔn)面高，徑流途徑短，故也以泉的形式排泄。

3 觀夕洞大型古地下洞室群的結(jié)構(gòu)面調(diào)查

3.1 洞室群分布區(qū)地表斷層的調(diào)查

作者對研究區(qū)內(nèi)觀夕洞大型古洞室群分布區(qū)地表的斷層進(jìn)行了調(diào)查。圖2繪出所查到9條斷層f1～f9的分布情況。其中斷層f1～f8列于表2，斷層f9在洞內(nèi)外皆有展露，示之于圖3中。

3.2 出露于洞室群內(nèi)的斷層

在觀夕洞洞室群內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了多條斷層，這里僅簡述其中分別出露于洞室群20號洞和21號洞的3條斷層f9～f11。

（1）出露于20號洞南端墻上的斷層f9

20號洞的高、長和寬分別為26.2 m、38.7 m和19.9 m。調(diào)查發(fā)現(xiàn)圖2所示的斷層f9，也出露于南端墻（墻厚約2.4 m）上（圖3）。f9的產(chǎn)狀為N75°W，SE∠66°，寬約0.2～0.3 m，并有夾泥和碎塊。另外，在斷層層面上可見擦痕和階步。

圖2 出露于觀夕洞古洞室群的斷層（f 1～f 9）分布圖Fig.2 Distribution of faults

表2 觀夕洞分布區(qū)地表斷層f 1～f 8特征表Table.2 Characteristics of Surface faults

（2）出露于21號洞西邊墻上的斷層f10和f11

21號洞位于上述20號洞的東側(cè)。作者在其長約30.7 m西邊墻上發(fā)現(xiàn)了兩條互相平行、相距2.7 m的斷層f10和f11（圖4）。它們的產(chǎn)狀均為N32°W，NE∠7°。據(jù)觀察，它們基本上都無夾泥，但有擦痕和階步，據(jù)此判斷為逆斷層。

3.3 觀夕洞所在地結(jié)構(gòu)面的分布特點(diǎn)

圖3 位于觀夕洞洞室群20號洞洞口的斷層f 9Fig.3 Fault 9 at the 20－th entrance

圖4 觀汐洞21號洞西邊墻上斷層f 10和f 11Fig.4 Faults 10＆11on the westwall of the 21－st cave

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)，作者發(fā)現(xiàn)在觀汐洞分布區(qū)以東西向（80°～100°）的結(jié)構(gòu)面最為發(fā)育；次為北東向（30°～50°）和北西向（305°～330°），再次為近南北向（350°）。據(jù)各結(jié)構(gòu)面之間的相互切割關(guān)系判別，其形成的時序大致為：東西向的結(jié)構(gòu)面形成較早，而北西向的結(jié)構(gòu)面形成較晚。另外，節(jié)理面一般較平直、光滑，蝕變不明顯。并且在整個長嶼硐天古地下采石場分布區(qū)，結(jié)構(gòu)面具有上述同樣的分布規(guī)律。

還應(yīng)指出出露于洞室群分布區(qū)的斷層的規(guī)模一般較小，其可見長度多數(shù)都小于50 m；圍巖中的節(jié)理也不發(fā)育，其可見長度大多數(shù)都小于10～20 m。

4 洞室圍巖物理力學(xué)性質(zhì)

為了對洞室圍巖工程地質(zhì)條件作出評價，在觀夕洞古洞室群中取了4組巖樣，進(jìn)行圍巖物理力學(xué)試驗(yàn)。表3給出了有關(guān)試驗(yàn)成果。

表3 觀汐洞圍巖的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)Table.3 Experimental indicators for physical mechanics of surrounding rocks

5 觀夕洞大型古地下采石場的工程地質(zhì)條件評價

5.1 巖體結(jié)構(gòu)分類

觀夕洞各洞室所在的鳳凰山巖體基本上為巨厚層凝灰?guī)r?？傮w上看，該研究區(qū)的斷層、節(jié)理都不發(fā)育。但現(xiàn)場調(diào)查還表明，圍巖的巖體結(jié)構(gòu)與洞室的埋深有關(guān)：

（1）對于分布在地表以下25 m或更深部位的巖體，除有較大斷層出露的部分外，結(jié)構(gòu)面通常較稀少，完整系數(shù)大于0.75，基本塊體大于1 m3。依據(jù)谷德振巖體結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)［10]，這些洞室圍巖被劃分為整體塊狀結(jié)構(gòu)。

（2）對于分布在山體地表以下約為15 m至25 m的巖體，或是在山體內(nèi)部局部節(jié)理相對較多地段的巖體，其完整系數(shù)約為0.50～0.75，基本塊度大小約為0.5～1.0 m3。按照上述谷德振巖體結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)，基本上可定為塊狀結(jié)構(gòu)。

（3）按照同樣的標(biāo)準(zhǔn)［10]，地表以下約5～15 m深度之間的巖體，通常因結(jié)構(gòu)面較發(fā)育而被定為層狀結(jié)構(gòu)，局部地段則因風(fēng)化較嚴(yán)重而定為碎裂結(jié)構(gòu)。

（4）分布在地表到約5 m深度的山體較為復(fù)雜，其中部分巖石露頭可定為碎裂結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)，但其中的坡積層，則可定為散體結(jié)構(gòu)。

5.2 觀夕洞穩(wěn)定性評價

觀夕洞圍巖的巖性主要為上侏羅統(tǒng)磨石山群西山頭組一段和二段的淺灰－灰紫色流紋質(zhì)玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r和流紋質(zhì)含角礫晶屑玻屑凝灰?guī)r等。其巖石強(qiáng)度較高（如在進(jìn)行三軸試驗(yàn)中，在圍壓等于5 MPa的條件下，軸向破壞應(yīng)力平均可達(dá)到117.87 MPa，抗拉強(qiáng)度平均為7.129 MPa）。另外，有2條分別出露于觀夕洞古洞室群30號洞和31號洞的結(jié)構(gòu)面較大，按谷德振有關(guān)結(jié)構(gòu)面的分級標(biāo)準(zhǔn)，可將之劃為3級結(jié)構(gòu)面［10]。至于節(jié)理裂隙，通常較短且多數(shù)無夾泥。

根據(jù)對觀夕洞主要洞室群圍巖的考察，其完整性系數(shù)可超過0.75，而一般的也可達(dá)到0.50～0.75。顯然可以確定，圍巖巖體相當(dāng)完整。所以總體上圍巖結(jié)構(gòu)被定為整體結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)［10－12]。

綜上所述，并考慮到當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件也較簡單這一情況，對于長嶼硐天的觀夕硐大型古洞室群的工程地質(zhì)條件可以作出總體上良好，部分為優(yōu)，局部為中等和較差的評價。正因?yàn)楦鞫词覈鷰r的工程地質(zhì)條件總體上良好這一基本條件，使各洞得以千年不倒。當(dāng)然，長嶼硐天各洞采石長期以來所采用的水平式鑿孔裂石采石板方法是一種非爆破的手工方法［5]。由于這種手工采石方法可以消除鉆爆法所造成的圍巖損傷，所以這也是各洞得以長期穩(wěn)定的另一個重要原因。實(shí)際上，長嶼硐天的1千多個洞室（包括跨度超過40 m、高度超過50 m的巨型洞室）經(jīng)歷數(shù)百年甚至上千年而不倒這一事實(shí)也支持了上述評價。

6 結(jié)論

通過上述研究工作，可以得出以下結(jié)論：

（1）由觀夕硐等28個大型古洞室群共1 314個洞室構(gòu)成的溫嶺長嶼硐天采石場，始采于1 500年前，目前穩(wěn)定性良好，是研究大型地下工程長久穩(wěn)定的難得的平臺，具有重要的歷史價值和科學(xué)價值。

（2）觀夕硐圍巖不僅強(qiáng)度較高，而且相當(dāng)完整，其巖體結(jié)構(gòu)可劃分為整體結(jié)構(gòu)中的塊狀結(jié)構(gòu)類，屬于I類圍巖，工程地質(zhì)條件總體上良好。這就是為什么如此大規(guī)模的古洞室群竟然能經(jīng)歷1 500年而不倒的基本原因。這也說明，古人在采石場選址時具有的較高的工程地質(zhì)水平。

（3）關(guān)于長嶼硐天大型古地下采石場的研究，不僅是長期保護(hù)對策研究的基礎(chǔ)，而且也是進(jìn)行科普旅游的一份好教材。

謝辭 在現(xiàn)場考察期間，得到了溫嶺市長嶼硐天旅游實(shí)業(yè)有限公司總經(jīng)理顏延明、總工陶晨曉、經(jīng)理林玉球等先生的無私幫助，作者在此深表謝意。

［1]軍隊(duì)地下工程勘察規(guī)范（GJBZ813－1997）［S].中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，1997.

［2]祝介旺，柏松，劉恩聰，等.龍游石窟結(jié)構(gòu)的力學(xué)思想［J].巖土力學(xué)，2008，29（9）：2427－2432.

［3]李麗慧，楊志法，張路青.關(guān)于龍游石窟斜頂“設(shè)計(jì)”中工程科學(xué)問題的探討［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（2）：337－343.

［4]李麗慧.龍游大型古地下洞室群千年完整的機(jī)制研究［D].北京：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，2006.

［5]張中儉.蛇蟠島大型古地下采石場洞室群工程地質(zhì)力學(xué)問題研究［D].北京：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，2010，130－152.

［6]浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)局.浙江省區(qū)域地質(zhì)志（區(qū)域地質(zhì)第11號）［M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

［7]浙江省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)七分隊(duì).地質(zhì)圖說明書［G].（比例尺1∶500 00，溫嶺幅），1995.

［8]浙江省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)三分隊(duì).區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告［R].（1∶200 000，溫州幅），1979.

［9]浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)：浙江省水文地質(zhì)圖說明書［G].（1∶500 00），1979.

［10]谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)［M].北京：科學(xué)出版社，1979.

［11]王思敬，楊志法，劉竹華.地下工程巖體穩(wěn)定分析［M].科學(xué)出版社，1984.

［12]《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）［M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.