小浪底引黄工程土洞段施工突涌水地质原因分析及处理

刘军伟

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原030024）

0 引言

山西省小浪底引黄工程引水隧洞土洞段地处中条山北麓与涑水河左岸之间的山前洪积倾斜平原区，其中机械人工开挖施工标段位于土洞段的末端，长6.6 km。本标段仅剩270 m 未贯通时，在该标段的中部发生涌水、突泥问题。

1 隧洞地质条件

小浪底引黄工程引水隧洞土洞段位于中条山山前洪积扇的前缘，洞身横断面为城门洞形，尺寸为3.8 m×5.0 m，一次支护采用挂钢筋网、喷混凝土，结合I16 钢拱架支护。隧洞轴线方向N55°W，沿线地形向出口方向逐渐降低，总体顺坡向布置。出露地层上部为第四系上更新统坡洪积物（Q3dp）l，岩性为淡黄、浅红色低液限粉土、低液限黏土，厚度0～20 m；其下为第四系中更新统洪积物（Q2pl），岩性为浅红、浅棕红色（含砂）低液限黏土夹低液限粉土层，含钙质结核（局部成层），夹级配不良砂和级配不良砾，厚度大于90 m。本段洞埋深35～130 m，总体厚度向出口方向逐渐变薄，洞身处于第四系中更新统洪积物（Q2pl）中下部，围岩以低液限黏土层为主。隧洞沿线为当地主要耕地区，洞线附近灌溉水井较多，根据钻孔及水井地下水位观测资料，设计洞底位于地下水位以上，但上部存在上层滞水。地下水类型为松散岩类孔隙水，总体由南东向北西（顺洞轴线方向）径流排泄。

该标段已完成开挖洞段围岩以低液限黏土为主，夹级配不良砂、含细粒土砂。低液限黏土洞段一般无地下水或渗水，砂层分布范围和厚度较大的有5 处，厚度一般0～5.0 m，一般有渗水或少量涌水，靠末端段无地下水；其它洞段零星夹薄砂层，厚度小于1.0 m，无地下水。

2 施工突涌水地质原因分析

隧洞突涌水桩号56+035～56+434 段的上、下游洞段已完成开挖，本段由两端对向开挖，洞顶以上土层厚度80～100 m。在隧洞上游（小里程桩号）桩号56+035 掌子面逐渐变为砂层，掌子面两侧壁有渗水，底板有少量股状流水。下游（大里程桩号）在开挖至掌子面桩号56+434 段之前，开挖揭露围岩为浅棕红色低液限黏土，仅在掌子面后方加宽段（桩号56+450）左侧洞壁中下部有少量渗水、滴水。掌子面顶部厚0.5 m 的低液限黏土层塌落后，顶拱发生涌水、涌砂突泥现象。洞内排水量达1 300～1 400 m3/d，掌子面上部持续有水流，水量长时间未减小，后期大部分时间为清水，有时会变浑浊。钻孔揭露桩号56+434 前方设计洞线范围内主要为浅棕红色低液限黏土夹含砂低液限黏土、低液限粉土，在洞顶处为级配不良砂透镜体，砂粒主要为粉细砂，钻孔揭露厚度为1.6～3.0 m，顺洞轴线长度约275 m，垂直洞轴线方向分布较宽，预测在桩号56+175 段附近尖灭。经补充钻孔和附近新打水井水位观测，在桩号56+434 段附近地下水位出现异常，水位高程高于隧洞洞顶9～26 m。

隧洞施工突涌水后，及时进行了专项地质勘察，经调查，在隧洞区段地表新建一大型养猪场，于隧洞施工前期新打多眼抽水井，距离该洞线较近的有3 眼，其中距离桩号56+434m 段约200 m 的养猪场新打1#水井，井深220 m，井底低于设计洞底102 m，该水井在深度200 m 以内（即低于洞底82 m 范围内）未揭露稳定潜水地下水位，但当打至200 m 以下时揭露下部承压水含水层，井内水位上升至70 m 左右（即高于洞底34 m）。专项勘察时3 次观测该水井水位埋深约80 m，水位高程高于设计隧洞高程。而1#水井上游的养猪场门口2#水井和冯村新打3#水井地下潜水位低于洞底8.5 m 以上。1#水井和补充ZK1 号钻孔水位高于上游地下水位，但又低于其下游地下水位。分析为水井先揭露上部砂层上层滞水，后又揭穿深部的承压含水层所致。

根据本区段已完成隧道开挖情况，结合钻孔和洞线及周边区域水井的地下水位观测资料，桩号56+434 段地下水位较高、水量较大，且高于该洞段上游地下水位20～30 m。综合分析原因有两个：一是该区段灌溉水井和养殖场水井数量较多，水井将上层滞水含水层竖向连通产生越流补给，一方面是水井将下部的承压含水层与上部的上层滞水含水层竖向连通，另一方面是上部的上层滞水含水层与其下部的上层滞水含水层连通。二是隧洞掌子面顶部及前方的砂层分布范围较大，上层滞水储量较大。当开挖至桩号56+434 段时揭露该含水层，产生渗透变形，致使发生涌水、突泥现象。由于透镜状砂层为级配不良砂、含细粒土砂，结构松散，自稳能力差，当砂层分布于隧洞拱部、砂层较厚且含水时，对围岩稳定及施工开挖影响较大。建议采取地下水洞内封堵控制措施，开挖采取短进尺、强支护措施。

3 施工处理措施

涌水突泥发生后，根据隧洞围岩地质条件，经多次论证，先对塌方段采取洞外地表钻孔回填混凝土和洞内注浆固结处理，洞内将突涌塌落体清理至距离掌子面10 m，并及时进行反压回填，为防止二次塌方，拱部采用大管棚对前方松散体及塌腔口周边进行水泥-水玻璃固结注浆，之后继续清理上台阶塌方体至掌子面，开始进行第二循环大管棚施工。后续开挖过程中，掌子面涌水量进一步增大，局部管棚间隙中有泥浆流出，为确保隧洞施工安全，采取在掌子面设止浆墙加固，全断面超前注浆的方式进行处理，并采用带高压止水闸阀钢管集中引排水。全断面注浆施工结束后，采用台阶法并预留核心土进行人工开挖。开挖过程中在注浆效果薄弱部位，使用超前小导管注浆加固。为保证施工安全和防止初支在全断面注浆过程中受力变形，在止浆墙及钻机操作平台修建完成后，在止浆墙后方施做径向注浆。

全断面超前帷幕注浆加固止水及加固效果较好，开挖过程中渗流量明显减少，仅局部有渗水现象，围岩基本稳定。但是全断面帷幕注浆存在施做工期长，注浆控制难度大、造价较高等缺点。随后在施工过程中改进工艺，采取“超前水平旋喷+超前帷幕注浆”相结合的处理方式，利用超前水平旋喷桩在开挖轮廓线周边形成止水帷幕墙，并对砂层起到刚性承载支护的作用，超前帷幕注浆对地层空隙进行填充止水及加固，并在掌子面前方形成止水帷幕，最终在隧洞周边形成封闭的止水帷幕，将地下水隔阻于开挖轮廓线之外。相较于全断面帷幕注浆加固方法，“超前水平旋喷+超前帷幕注浆”相结合的处理方式，单循环周期短、造价相对较低。目前该洞段已顺利贯通。

4 结语

边山洪积扇及山前倾斜洪积平原区，沉积交错杂乱，地层分布韵律差，地质结构复杂，在扇缘与平原过渡地带，往往主要分布为黏性土类的细粒土物质。该地区常分布有多层含水层，上部的砂层中往往集聚上层滞水，一般水量小、季节性变化大，但是当砂层分布范围较大时，储水量会增大；其深部常可能有好的砂砾层承压水。此区域土壤肥沃，多为当地农业高产田区，在北方干旱地区常分布有较多的水井。为此，在工程勘察设计阶段，要采取相应的勘探方法和手段查明地下洞室以下一定深度范围内的地质结构、物质组成和水文地质条件，并在施工期注意工程区域周边地下水开采抽排情况，同时加强施工地质和超前预报工作，从而指导施工。