福州登云隧道开挖对登云矿泉水的影响分析及对策

刘兴学

（福建省地质工程勘察院，福建福州350002）

新店外环路东段项目主线起于福州市晋安区前横路，新建三环路园中互通，经登云隧道至新店片区，并建设新店互通与新店外环路西段相接，终于新店外环路西段与山北路交叉口，全长3.73km，为城市快速路，设双向六车道。其中，园中互通、新店互通、登云隧道是项目的核心工程。登云隧道位于登云矿泉水西侧55m，由东南向西北方向展布。

1 工程概况

1.1 福州登云隧道工程概况

福州登云隧道（K0+000～K2+343）全长2343m，双洞双向六车道，每个隧道宽15.0m，洞高约8.5m。其中K0+000～K1+020段隧道为暗挖段，K1+020～K1+360段隧道为基坑明挖段，K1+360～K2+343段隧道为暗挖段。隧道埋置深度约为10～130m，拟采用矿山法施工；K1+020～K1+360段隧道埋置深度一般小于4m，设计拟考虑明挖施工[1]。

1.2 登云矿泉水概况

福州登云矿泉水位于福州市晋安区登云村下山尾自然村南西500m，登云水库北侧。该矿泉水为偏硅酸重碳酸钙钠型矿泉水，水温、水量较为稳定[2]。福州市晋安区登云矿泉水开发有限公司于1989年9月办理了矿泉水生产采矿许可证，进行矿泉水生产，工程规模4860t/a；2012年6月，矿泉水厂经过升级改造，工程规模达10800t/a。现为福建水仙山泉饮用水有限公司开发，生产水仙牌山泉饮用水。

2 地质特征

研究区地层出露较为简单，主要出露第四系更新统、全新统长乐组、残积层和侏罗系上统南园组晶屑凝灰岩（J3n）。侵入岩为燕山晚期侵入体，岩性主要为花岗闪长岩、中粒含黑云母花岗岩、长石花岗岩和花岗斑岩。此外，还有不同期次的脉岩，岩性为花岗斑岩、正长斑岩、闪长斑岩、闪长玢岩和辉绿岩，花岗斑岩和正长斑岩脉等较集中分布于登云矿泉水周边，呈北东东向密集出露，一般长300～500m[3]。

研究区位于福州—永泰北东东向断裂构造带中部，构造形迹以断裂为主，并伴有北北西向断裂构造。其中北东东向构造以压扭性断裂、中酸性脉岩带、密集节理、压劈理以及动力变质带组成[4]。区域上主要断裂有苗圃断裂（F1）、虎岗山断裂（F2）、铁坑山断裂（F3）、乌山断裂（F4）；北北西向张扭性断裂：具有多次活动的特征，是主要充水构造。主要断裂有洪山桥断裂（F5）、八一水库—王庄断裂（F6）、鼓山断裂（F7）。

2.1 矿区地质条件

登云矿泉水位于山间洼地的边缘，四周低山丘陵，东面园主山海拨597.30m，北面寨顶山海拨182.00m，东南面为铁坑山，海拨292.10m，西面有炮山、虎岗山海拨116.60m和182.40m，登云溪由北东向南西方向径流，经登云水库流入化工河，后汇入闽江。

登云矿泉水直接出露于燕山晚期花岗闪长岩和花岗斑岩脉的接触带上，附近基岩还有燕山晚期中粒含黑云母花岗岩，脉岩走向北东东向，倾向南东，倾角70°～80°，泉水附近基岩表面有薄层风化残积层覆盖，第四系冲洪积砂砾卵石和砂质粘土沿登云溪两侧狭长条带状分布，构成一、二级阶地。

虎岗山断裂（F2）是控制矿泉水的主要构造，断裂带中岩石破碎，节理裂隙发育，蚀变强烈，并见挤压构造角砾岩，构造破碎带给地下水径流赋存提供了良好的通道，钻孔揭破碎带时，出现大量漏水现象，单孔涌水量最大达363m3/d，在地表可见破碎带有多次脉岩侵入。登云矿泉水位于该断层的东南侧，矿泉出露于花岗斑岩脉中，地下水的补径排与该构造具有直接的水力联系。

2.2 水文地质条件

研究区地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水含水岩组、基岩风化孔隙裂隙水含水岩组和基岩构造裂隙水含水岩组三种类型[5]。

（1）第四系松散岩类孔隙水含水岩组：含水层岩性为砂砾卵石等，厚度3.0～15.0m，为孔隙潜水。含水层顶板为素填土、粘性土，底板为残积粘性土或中（微）化花岗岩。含水层主要分布在矿区东侧沿登云溪及周边分布。

（2）基岩风化孔隙裂隙水含水岩组：含水层岩性主要为强风化(散体—碎块状)花岗岩，厚度5.0～40.0m。地下水主要赋存于岩石风化孔隙裂隙中，为似层状含水层，地下水位埋深3.0～15.0m。地下水以潜水为主，局部为承压水。含水层顶板岩性为残积粘性土或残积砂质粘性土，为相对隔水层，厚度1.0～5.0m，底板岩性为中（微）化花岗岩，含构造裂隙水。该含水层在矿区北侧、东侧及南侧均有分布，分布较为广泛。

（3）基岩构造裂隙水含水岩组：含水层岩性主要为中（微）风化花岗岩、花岗斑岩等，含水层呈脉状分布，地下水具各向异性，地下水主要赋存于基岩构造裂隙碎破带、脉岩与花岗岩接触破碎带中，含水层呈条带状分布，两组断裂构造交汇处岩石破碎为地下水的主要富集带。地下水位埋深一般为0～3.0m，地下水以承压水为主。登云矿泉水为该层水，出露于花岗斑岩与花岗岩接触带部位，地下水水头高出地表呈自流状态。

3 隧道开挖对矿泉水的影响分析

登云隧道开挖走向为NW290°，隧道线路全长2343m，双洞双向六车道，每个隧道宽15.0m，洞高约8.5m，隧道埋置深度约为4～130m，拟采用矿山暗挖法施工，其中K1+020～K1+360段隧道埋置深度一般小于4m，设计拟考虑明挖施工。隧道路面设计由南至北标高为46.7～70.0m；矿泉水厂区及隧道北段YK1+320～YK1+360为明挖施工，YK1+360～YK1+380为暗挖施工，路面高程为52.0～61.0m。隧道在施工过程中在洞两侧均设有纵向排水沟（图1），隧道建成后形成洞内、洞外两套排水系统，将地下水通过纵向排水管排出隧洞口。隧道通车运行后，保留隧道内、外排水系统，隧道排水长期存在。

登云隧道K1+020～K1+360段拟考虑明挖施工，地下水将通过人工井点降水。隧道建成后，隧道内设有排水系统并与前后隧洞连接，内排水管坡度同隧道纵坡，将隧洞内水排至隧道进口处汇入洞外路基边沟排走。因此，隧洞施工时期及建成后，对隧道底板之上的地下水起一种长期疏干作用，最后达到均衡稳定的状态。隧道周边的地下水因隧道开挖导至水位下降，隧道建成后其地下水水位不会恢复到隧道开挖前的水位。

由于隧道走向与研究区内的主要含水构造F2及脉岩走向呈大角度相交，隧道开挖过程及建成后的排水，将引发形成以隧道轴线为中心的水位降落漏斗，即隧道周边区域地下水向隧道内径流并通过隧道排水沟向地表排泄。使周边地下水呈长期定水头疏干状态，隧道开挖前后地下水位变化见图2。根据周边同类型水文单元地下水供水井的水文地质参数，采用类比的方法[6]，假设矿泉水厂附近隧道水位稳定标高为45m（即降深20m左右），涌水量300m3/d，渗透系数为0.479m/d，影响半径为138m（降深50m，影响半径达300m），通过计算，隧道西侧的登云矿泉水自涌泉处的水位下降深度达9m（标高54.0m），低于井底标高(60.0m)约6.0m，该井将呈干枯状态；隧道建成后其地下水位不会恢复至原位。因此，隧道开挖及建成后将直接导致登云矿泉水自涌泉干枯。

4 对策

登云矿泉水自涌泉西侧为基岩及脉岩隆起区，地下水直接从基岩裂隙中涌出，为基岩构造裂隙水。登云隧道中的地下水和自涌泉井同属于一个含水层，由于隧道开挖标高低于矿泉水出水位置标高，隧道开挖会引起沿隧道轴线周边地下水位的下降，形成地下水位降落漏斗，对矿泉水自涌泉有疏干的作用，影响矿泉水厂的生产。隧道开挖对深层地下水影响较小或无影响。因此，登云矿泉水水源可以通过浅井开采改为深井开采，以减轻或避免隧道开挖对矿泉水厂生产的影响。

登云矿泉水厂区受北东向构造的影响，基岩裂隙较为发育，为地下水的赋存运移创造了有利条件。登云隧道开挖对矿泉水厂区标高46m以上的地下水影响较大，对深部地下水影响有限。矿泉水厂区地下水含水层有风化带孔隙裂隙水和基岩构造裂隙水两种类型，基岩风化带孔隙裂隙水为似层状含水层，大部分地段为潜水，局部为承压水，该层地下水受人类工程活动影响较为明显，该层地下水多项指标（如氨氮、细菌总数等）达不到矿泉水水质要求[7]；基岩裂隙水主要赋存于花岗斑岩与花岗岩接触带、构造断裂破碎带中，地下水主要受山区降水入渗补给，在低洼区多数向上部风化带孔隙裂隙含水层补给，或以泉的形式排泄于地表，受人类工程活动影响较小，地下水质较好。

图1 登云隧道洞内和洞外排水系统示意图

图2 登云隧道开挖带前后地下水位线变化图

通过对矿泉水厂区地下水补、径、排条件及隧道工程的结构特征进行综合性分析，区域性断裂构造F2长约14km，断裂带切割较深，地下水补给源较远，水量丰富，水质较好，是场地内理想的替代水源，在矿泉水厂区其埋深约300～400m，可通过钻孔揭露该含水层（详见图3），采用深层地下水作为矿泉水源。通过潜水电泵开采矿泉水，能保证矿泉水厂生产的用水量要求，且能有效减轻或避免因人类工程活动给矿泉水源造成的污染。深层地下水经过深循环作用，部分矿物质背景值有偏高的可能（如氟离子、偏硅酸、矿化度等），水质能否达到矿泉水质标准要求，应进一步进行勘探工作，以探采结合的形式进行勘探工作效果较好。

图3 隧道走向与F2构造及脉岩关系剖面示意图

5 结语

登云隧道施工开挖及建成后，由于地下水汇流的作用，沿隧道轴线将形成地下水位降落漏斗，对隧道沿线周边浅层地下水影响较大，将导至大部分浅井、自涌泉消失。登云矿泉水自涌泉井因水位下降可能出现干枯现象，影响矿泉水厂的生产。

为避免隧道开挖对矿泉水厂生产的影响，可通过施工深井等措施。建议在矿泉水厂区内F2断裂构造通过的位置施工一口探采结合井，孔深300～400m段的地下水，并进行抽水试验和水质分析。若分析结果水质达到矿泉水要求，可作为矿泉水厂的替代水源，以解决由于隧道开挖给矿泉厂生产造成的影响。