0 引言

洞室施工安全和长期稳定性是地下工程研究和设计中的主要问题，无支护、大跨度洞室群的长期稳定更成为关注重点。规划设计阶段比选入口位置和洞线展布方向具有更重要的战略意义。值得注意的是，这些困扰现代地下工程研究和设计者的理论和实践难题^[1]，可从天台黑洞大型古地下采石场长期稳定的现状中找到一些答案。

黑洞大型古地下洞室群位于浙江天台县城西、始丰溪南岸的蟹山山体内(图 1)。该山体走向47°，长650 m、宽300 m，相对高度50 m(黄海高程70~120 m，地理坐标北纬29°07′20″，东经120°57′30″)。在长375 m、宽163 m的范围内该洞室群由21个主洞和42个支洞组成，总面积达24 000 m²。蟹山北面和东面山脚可见大的洞口5个。这一古洞室群始建于1 413年前的隋代。其中5号洞的跨度达81 m，很可能是世界上跨度最大的人工洞室。

底图据Google Earth 2009。图 1 黑洞古地下采石场洞室群位置图 Fig. 1 Location of the Heidong quarry at southwest of Tiantai County town

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研究区位于天台盆地西部中低山区，海拔高度多为500~800 m。中低山区与盆地之间为海拔350~400 m的低山丘陵。该区属亚热带季风型气候，湿润多雨，年均温度15~18℃,年均降水量1 400 mm,且集中在5－6月梅雨季节^[2]。

黑洞位于始丰溪南岸山头裘村和岩庵村南的蟹山内，天台县城关S60°W方向，直线距离约5 km。蟹山正北约800 m的始丰溪自西向东流向天台盆地。黑洞一带白垩系凝灰岩具有很高的建筑价值，自古以来一直被用作石料开采。大概考虑到该处位于下部的灰白色岩层的质量优于上部的淡紫色岩层(前者的价格也高于后者)，黑洞一带以地下开采为主。经长期开采，逐步形成了一个由几十个大小不一的洞体组成的大型古地下洞室群，整个山体里面洞深大且很黑，故被当地人称为黑洞。 1.2 开发利用情况

洞口外半山坡上建有慈恩寺，有专人负责保护和发展设计。目前黑洞仍处于待开发阶段，未做大规模开发和旅游，洞口外广场在建寺门和楼房(图 2)。

拍摄日期2011-03-04，镜头方向SW。图 2 黑洞慈恩寺建筑和1号洞口 Fig. 2 Ci’en temple and the entrance to cave No.1 of Heidong quarry

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黑洞处于华南地层区，地层为上白垩统塘上组(K₂t)的一套紫灰色、黄绿带褐色块状流纹质含角砾玻屑凝灰岩,玻屑熔结凝灰岩,流纹岩夹沉凝灰岩，紫红色凝灰质粉砂岩和砂砾岩，厚250~2 600 m(地层剖面位置见图 3中水南－塘上－大坪头、鼻下许－石狮山虚连线)。K₂t以火山碎屑岩的中酸性(英安质晶屑玻屑)熔结凝灰岩为主，属喷发相的爆发亚相，位于黄坦洋－南屏火山穹窿构造的北部。燕山晚期第二次侵入岩中性岩体为山头郑角闪石英闪长岩体，出露面积7.8 km²。燕山晚期第三次侵入岩体为黄坦洋石英二长岩体，出露面积13.6 km²，黑云母K-Ar测年结果为85.7 Ma^{[2, 4]}。黑洞古地下采石场所在的地层为K₂t第8－6层。从上至下依次为灰紫色块状流纹质玻屑凝灰岩(第8层)、紫红色块状凝灰质砾岩(第7层)和灰白色块状流纹质含角砾玻屑凝灰岩(第6层)。在最大跨度5号洞室测得第7层产状为10°N~24°W,∠15°~28°。第6层灰白色块状流纹质含角砾玻屑凝灰岩为人工采石对象(表 1)。

1.全新统冲积层；2.中－上更新统冲积-洪积层；3.中－上新统嵊县组；4.上白垩统赖家组；5.上白垩统塘上组；6.下白垩统朝川组；7.下白垩统馆头组；8.上侏罗统d段；9.上侏罗统c段第二亚段；10.上侏罗统c段第一亚段；11.上侏罗统b段；12.上侏罗统a段；13.早白垩世安山玢岩；14.燕山晚期第三次侵入岩钾长花岗岩；15.燕山晚期第二次侵入岩钾长花岗岩；16.中性、酸性、石英脉；17.断裂；18.燕山晚期火山穹窿构造；19.流面和地层倾向；20.山峰和河流；21.村镇。据文献[2, 3]修编。图 3 天台地区黑洞地质图 Fig. 3 Geologic map of the area nearby Heidong quarry

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在天台北6.8 km塔头寺保存完好的唐碑碑体上发现了3条浅黄色条带，这一特殊结构在黑洞大型古地下采石场1、3、5－7号等洞的围岩中都有(图 4a，b)。对取自黑洞中的浅黄色条带样镜下鉴定表明，它是一种呈脉状分布的具有细晶结构的钠长石、黑云母和方解石的集合体(图 4c)。塔头寺唐碑石材、山头裘村家谱、天台县城北的隋代国清寺石材等证据显示，黑洞采石开始于距今约1 400年的隋代，至建国初期还有零星采石，黑洞南东约2 km为现在的露天采石场(图 1)。

a. 在6、7号洞交界处发现的浅黄色条带；b. 在黑洞古地下采石场5号洞后端墙上发现浅黄色条带；c. 黄色条带放大后显示为呈脉状的具细晶结构钠长石、黑云母和方解石集合体。图 4 黑洞古地下采石场凝灰岩中浅黄色条带现场和镜下特征 Fig. 4 Features of slight yellow belts appeared in tuffs at the Heidong quarry

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黑洞所在的蟹山处于华南褶皱系的浙东南褶皱带之丽水－宁波隆起中的新昌－定海断隆四级构造单元内，其中分布着晚燕山期陆缘活化阶段形成的凝灰岩和火山角砾岩^[4]。本区以断裂构造为主，褶皱构造不发育,以燕山早期以来NNE向新华夏系构造最为发育，为主要构造格架，压性结构面为主。

从区域构造上看，长约250 km形成于燕山早期的衢州－天台大断裂(走向为NEE－EW)，从天台县城南12 km穿过。此外还有形成于燕山期NE和NW走向的断裂，控制了天台断陷盆地的形成。衢州－天台大断裂切过白垩系，蟹山的断层、节理区域上主要受其影响。黑洞古洞室群分布区地质构造以断裂和节理为主。在2号洞南墙中找到了一条产状为200°∠65°的断层F₁(图 5)，夹泥层厚达0.3~0.4 m。另外，笔者在现场还测到85组节理和断层组成的地质结构面的产状(图 6)。结构面走向玫瑰花图(图 6a)显示有两组主要结构面，产状分别约为N7°E,∠89°和N82°W,∠50°。同时倾角分布直方图(图 6b)显示大部分倾角在50°以上，以80°~90°居多。

图 5 黑洞地下洞室群平面分布图 Fig. 5 Distribution of caverns at the Heidong quarry

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a. 结构面走向玫瑰花图；b. 结构面倾角分布频数直方图。图 6 地质结构面产状分布图 Fig. 6 Charts of discontinuities in tuffs of the Heidong quarry

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上述塘上组第6层属巨厚层(可见厚度5.0~10.0 m)，节理裂隙相对不发育，岩体较为完整，仅为微风化，因其围岩的工程地质条件最好，故成为主要的开采对象；第7层层厚仅为0.3~1.0 m，水平结构面发育，岩体软弱破碎，属于中风化，其工程地质条件最差；第8层也属于巨厚层(可见厚度5.0~8.0 m)，但其地表部分为强风化，其他部分则为中风化、较完整，其工程地质条件中等。

现场实测地层产状倾角小而有一定变化，在2号和21号洞室测得缓倾地层产状分别为340°∠24°和330°∠20°，即总体倾向NNW，倾角20°左右。 1.3.3 区域构造活动稳定性

天台县抗震设防烈度不大于6度，设计基本地震加速度值不大于0.05 g。工程地质分区上属于华南丘陵山地及平原区之淮阳山地－东南丘陵低山亚区(II₃)，区域地壳稳定性分级为稳定区I类^[5]。 2 岩体结构和岩体质量

按照国家标准^[6]，黑洞古地下采石场质量最好的围岩(第6层)可定为II类围岩。按该规范对II类围岩“毛洞稳定情况”描述:“毛洞跨度5～10 m时，围岩能较长时间(数月至数年)维持稳定，仅出现局部小块掉落”。 大量工程实践和理论研究^{[7, 8]}表明，地下工程跨度越大、建设难度越大，其建设水平要求也越高。或者说，地下工程跨度是反映建设难度和水平的一个综合指标。现代意义上的最大跨度地下洞室当属挪威冬奥会地下冰球场(跨度达62 m)^[9]。

在黑洞古洞室群的21个洞室中5号、1号、2号和9号洞(位置见图 5)却具有不同答案和特色。例如,作为5号洞的毛洞跨度已是上述规范中洞跨的8倍，而稳定则长达1 400多年，远超国家规范中的“数年”。这说明现代围岩分类标准与黑洞古工程的真实情况之间存在巨大差异。对这种差异的研究，可望促进工程地质学和岩石力学的理论认识。

表 2给出了现场采集的岩样力学试验结果平均值。按照岩体质量指标Q值计算公式^[10]，第6层整体状凝灰岩的Q值计算结果为53，按照围岩分类属于I级。Q值计算公式为

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式中：RQD为迪尔的岩石质量指标；J_n为节理组数；J_r为节理粗糙度系数；J_a为节理蚀变影响系数；J_w为水折减系数；SRF为应力折减系数。

这里Q值仅代表着地质条件最优越的第6层。如果将其上的第7和第8层一起考虑进去，则Q值将会降低(大致等于10~50，即II－I级)。

据文献^[10]可知,无支护跨度或洞高与ESR之比(ESR为开挖支护比)约为10。对临时和永久矿山巷道，ESR分别为3.0~5.0和1.6。由此可得相应跨度分别为30~50 m和16 m。这样看来，即使是计算最大巷道的跨度为50 m，仍小于黑洞5号洞81 m的实际跨度^[11]。 3 围岩长期稳定性

古人采用开挖探洞比较地质条件优劣后选择入洞口、大角度垂直和小断面穿越断层破碎带、手工裂石采石刻凿、拱脚堆放弃碴等技术方法，有效保证了黑洞大型古地下采石洞室群的长期稳定性。 3.1 蟹山脚多处地质探洞

在蟹山四周山脚不同部位发现了一些残留的小规模采石坑和入洞口，尤以面向始丰溪便于石材上船水运的北坡脚数量最多。古人在穿过风化破碎带之后发现岩体条件仍不好，就主动放弃而改采他处。在现在的古洞室群1号洞两侧留下了一些小探洞口和探坑(图 7)。

a. 陡崖下的探坑; b. 山脚部位的探坑。图 7 蟹山山脚遗留下的探坑 Fig. 7 Relics of trial pits at the Xie Hill foot

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在采掘过程中，古人观察到了一些不利结构面，尤其是规模较大的断层时，采用了垂直横穿断层和洞径变小的思路和方法。

从工程地质学观点看，采石场中的断层F₁对2号洞南边墙，乃至于2号洞的稳定性都有较大影响。根据调查也许可以作出如下猜想：当古代工匠在支洞2-1的A和支洞2-2的B点(图 5)发现断层F₁后，似已意识到断层对洞室及采石安全的严重影响。于是他们采取了以下两方面措施：第一，在A和B点发现了断层F₁出露，之后就改变了采石方向，即不再继续向南采下去，而是向南缩小采石空间，以减小F₁的出露面积；第二，在F₁出露点A和B附近采用了一种沿着南边墙设有多个小洞的方法(图 8)。这样可以较有效地解决因F₁的出现而造成多采石与安全采石之间的矛盾。当然如果发现前方地质情况很差或者存在很大的风险时，古人也会主动放弃而改变开采方向和部位。

a. 垂直穿越和缩小断面(镜头向N)；b. 发现软弱破碎的断层带后主动放弃继续穿越(镜头向S)。图 8 大角度小断面穿越断层带的采掘思路和方法 Fig. 8 Obliquely excavating through faults in underground quarrying

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从现场采集的断层泥样品看，其软塑性特征明显，块体呈现表面光亮的透镜状。室内分析测试结果表明:断层泥HD15-3的塑性指数I_P=11.94,属于亚黏土；液性指数I_L<0，属于坚硬土。X射线衍射分析(XRD)结果发现其矿物成分以伊利石为主，有少量蒙脱石(图 9a)。从干燥饱和吸水率结果看，属于弱膨胀范畴(20%~50%)^[12]，其中断层泥膨胀性相对高些(表 3)。 而样品HD15-4 矿物成分以伊利石为主(图 9b)，属微膨胀(表 3)。电子扫描电镜(SEM)图像(图 10)显示，样品HD15-3许多颗粒边缘出现蒙脱石特有的卷曲和涡旋状外貌，而HD15-4中的伊利石多呈现出带有尖角的片状。这说明了两者的结构和矿物成分存在一定差别，在电子显微镜同样放大倍数下，两者的密实程度也呈现出有明显差别。

CPS为每秒探测到的粒子数。从上至下的3条曲线分别表示对于<2 μm样品测定自然定向片(N)、乙二醇饱和处理片(扩展)(E)和加热550加热片(T)等处理条件下的XRD谱。图 9 黑洞2号洞中F1断层样品XRD衍射谱线图 Fig. 9 XRD curves of the gouges at Heidong quarry

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a. HD15-3; b. HD15-4。图 10 黑洞2号洞中F1断层样品SEM图像 Fig. 10 SEM images of gouges sampling at the No.2 cavern of Heidong quarry

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黑洞古地下洞室群主要开挖工程地质条件最好的是第6层，其围岩条件较好，边墙较为完整和坚硬。另外，工程地质条件最差的第7层，被古人置于拱脚部位，避免了顶板大面积失稳问题。这一符合工程地质学原理的朴素科学思想和高超的工程处理方法对于现代大型地下工程的设计者来说，可以得到这样的启示：对于浅埋洞室拱顶受拉而拱角受压的情况,通过巧妙设计，把岩体质量较好的部分安排在较易发生破坏之处(拱顶)，而把体质量较差的部位安排在不易发生破坏的地方(拱角)，从而可使各部位的稳定程度较为接近，取得可靠而经济的效果。

采用有限差分软件Flac^3D对跨度最大的5号洞N22°E向(图 11中y轴正向)剖面进行数值计算，材料力学参数采用表 2结果。分析后发现，拱顶下沉为3.310 mm，南侧、北侧拱脚向临空面位移分别为0.267 mm、0.230 mm,塑性破坏区不发育，局限在左南侧拱脚(图 11)。

图 11 采石挖空后5号洞围岩塑性破坏区分布 Fig. 11 Block state of cavern No.5 of Heidong quarry

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据有关规范^[6]，浅埋大跨度古洞室(尤其是5号洞)似早应失稳跨塌，但实际上它居然稳定了上千年而无恙。作者认为该古地下工程是采用垂直石板刻槽的裂石采石刻凿方法开挖^[13]，而技术规范所服务的现代地下工程则是用钻爆等快速施工方法开挖的。这一对比告诉人们，爆破所造成围岩的损坏(例如形成了松动圈等)是很大的，但以前往往对此认识不足。据此可以认为，强调在围岩的关键部位采取有效措施控制爆破对围岩的损坏是有科学根据的^[14]。现在当地小规模采石常用电锯来操作，在岩块均匀条件下切割出整齐的石条(图 12)。

a. 古代垂直石板刻槽的裂石采石刻凿方法遗迹; b.现代电锯切采石法；c. 电锯切石后留下痕迹。 图 12 黑洞地区采石方法对比 Fig. 12 Comparison of quarrying methods at Heidong cavern group and nearby region

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古人在采石中采用了将废碴石堆填到采空区的方法。现场量测表明，5号洞中最厚的废石堆高达9.4 m。据分析，古人所采用的这一方法的好处是：第一，可减少将废石碴运出洞的工作费用；第二，可以加强对洞体的支撑，提高其稳定性；第三，废石不出洞或少出洞也有利于对洞外地表农田和生态的保护。据初步估算，黑洞洞室群的废弃石碴约为40 000 m³，如果全部运出去，必将侵占洞外大片良田和坡地，破坏河流生态等。

堆在采空区上的最高达6.8 m的废石堆对于1、2号洞来说，既省下运石出洞的费用又能提高洞室的稳定性(数值计算表明弃碴堆积使围岩位移减少了约2 mm，且剪切破坏单元减少183个，拉伸破坏单元减少874个)，并保护了洞外的良田和植被等。 4 结论

古人手工开凿出塘上组以第6层为主体的黑洞古地下洞室群，避开不良地质条件(断层破碎带)而采用地质探洞，选择最佳入洞口，洞室内两个方向轴线基本平行于两组主要结构面，大角度小断面穿越最不利的断层破碎带，体现了古人选址和工程布置时的地质结构控制观。而手工开凿方法、堆弃碴于边墙脚等，相当于增加了支护抗力，有利于该类围岩中的大跨度洞室保持长期稳定。在当时生产力低下的条件下，古人根据地质条件变化特点，采用了不同的技术措施加以处理，既提高了采石效率、避免了对围岩的损伤和破坏，同时也保持了洞室的长期稳定。这相对于现在采用电锯切实、钻爆法提高效率的同时严重破坏了围岩相比，无疑具有重要的启示。