小浪底引黃工程土洞段施工突涌水地質(zhì)原因分析及處理

劉軍偉

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司山西太原030024）

0 引言

山西省小浪底引黃工程引水隧洞土洞段地處中條山北麓與涑水河左岸之間的山前洪積傾斜平原區(qū)，其中機械人工開挖施工標段位于土洞段的末端，長6.6 km。本標段僅剩270 m 未貫通時，在該標段的中部發(fā)生涌水、突泥問題。

1 隧洞地質(zhì)條件

小浪底引黃工程引水隧洞土洞段位于中條山山前洪積扇的前緣，洞身橫斷面為城門洞形，尺寸為3.8 m×5.0 m，一次支護采用掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土，結合I16 鋼拱架支護。隧洞軸線方向N55°W，沿線地形向出口方向逐漸降低，總體順坡向布置。出露地層上部為第四系上更新統(tǒng)坡洪積物（Q3dp）l，巖性為淡黃、淺紅色低液限粉土、低液限黏土，厚度0～20 m；其下為第四系中更新統(tǒng)洪積物（Q2pl），巖性為淺紅、淺棕紅色（含砂）低液限黏土夾低液限粉土層，含鈣質(zhì)結核（局部成層），夾級配不良砂和級配不良礫，厚度大于90 m。本段洞埋深35～130 m，總體厚度向出口方向逐漸變薄，洞身處于第四系中更新統(tǒng)洪積物（Q2pl）中下部，圍巖以低液限黏土層為主。隧洞沿線為當?shù)刂饕貐^(qū)，洞線附近灌溉水井較多，根據(jù)鉆孔及水井地下水位觀測資料，設計洞底位于地下水位以上，但上部存在上層滯水。地下水類型為松散巖類孔隙水，總體由南東向北西（順洞軸線方向）徑流排泄。

該標段已完成開挖洞段圍巖以低液限黏土為主，夾級配不良砂、含細粒土砂。低液限黏土洞段一般無地下水或滲水，砂層分布范圍和厚度較大的有5 處，厚度一般0～5.0 m，一般有滲水或少量涌水，靠末端段無地下水；其它洞段零星夾薄砂層，厚度小于1.0 m，無地下水。

2 施工突涌水地質(zhì)原因分析

隧洞突涌水樁號56+035～56+434 段的上、下游洞段已完成開挖，本段由兩端對向開挖，洞頂以上土層厚度80～100 m。在隧洞上游（小里程樁號）樁號56+035 掌子面逐漸變?yōu)樯皩?，掌子面兩?cè)壁有滲水，底板有少量股狀流水。下游（大里程樁號）在開挖至掌子面樁號56+434 段之前，開挖揭露圍巖為淺棕紅色低液限黏土，僅在掌子面后方加寬段（樁號56+450）左側(cè)洞壁中下部有少量滲水、滴水。掌子面頂部厚0.5 m 的低液限黏土層塌落后，頂拱發(fā)生涌水、涌砂突泥現(xiàn)象。洞內(nèi)排水量達1 300～1 400 m3/d，掌子面上部持續(xù)有水流，水量長時間未減小，后期大部分時間為清水，有時會變渾濁。鉆孔揭露樁號56+434 前方設計洞線范圍內(nèi)主要為淺棕紅色低液限黏土夾含砂低液限黏土、低液限粉土，在洞頂處為級配不良砂透鏡體，砂粒主要為粉細砂，鉆孔揭露厚度為1.6～3.0 m，順洞軸線長度約275 m，垂直洞軸線方向分布較寬，預測在樁號56+175 段附近尖滅。經(jīng)補充鉆孔和附近新打水井水位觀測，在樁號56+434 段附近地下水位出現(xiàn)異常，水位高程高于隧洞洞頂9～26 m。

隧洞施工突涌水后，及時進行了專項地質(zhì)勘察，經(jīng)調(diào)查，在隧洞區(qū)段地表新建一大型養(yǎng)豬場，于隧洞施工前期新打多眼抽水井，距離該洞線較近的有3 眼，其中距離樁號56+434m 段約200 m 的養(yǎng)豬場新打1#水井，井深220 m，井底低于設計洞底102 m，該水井在深度200 m 以內(nèi)（即低于洞底82 m 范圍內(nèi)）未揭露穩(wěn)定潛水地下水位，但當打至200 m 以下時揭露下部承壓水含水層，井內(nèi)水位上升至70 m 左右（即高于洞底34 m）。專項勘察時3 次觀測該水井水位埋深約80 m，水位高程高于設計隧洞高程。而1#水井上游的養(yǎng)豬場門口2#水井和馮村新打3#水井地下潛水位低于洞底8.5 m 以上。1#水井和補充ZK1 號鉆孔水位高于上游地下水位，但又低于其下游地下水位。分析為水井先揭露上部砂層上層滯水，后又揭穿深部的承壓含水層所致。

根據(jù)本區(qū)段已完成隧道開挖情況，結合鉆孔和洞線及周邊區(qū)域水井的地下水位觀測資料，樁號56+434 段地下水位較高、水量較大，且高于該洞段上游地下水位20～30 m。綜合分析原因有兩個：一是該區(qū)段灌溉水井和養(yǎng)殖場水井數(shù)量較多，水井將上層滯水含水層豎向連通產(chǎn)生越流補給，一方面是水井將下部的承壓含水層與上部的上層滯水含水層豎向連通，另一方面是上部的上層滯水含水層與其下部的上層滯水含水層連通。二是隧洞掌子面頂部及前方的砂層分布范圍較大，上層滯水儲量較大。當開挖至樁號56+434 段時揭露該含水層，產(chǎn)生滲透變形，致使發(fā)生涌水、突泥現(xiàn)象。由于透鏡狀砂層為級配不良砂、含細粒土砂，結構松散，自穩(wěn)能力差，當砂層分布于隧洞拱部、砂層較厚且含水時，對圍巖穩(wěn)定及施工開挖影響較大。建議采取地下水洞內(nèi)封堵控制措施，開挖采取短進尺、強支護措施。

3 施工處理措施

涌水突泥發(fā)生后，根據(jù)隧洞圍巖地質(zhì)條件，經(jīng)多次論證，先對塌方段采取洞外地表鉆孔回填混凝土和洞內(nèi)注漿固結處理，洞內(nèi)將突涌塌落體清理至距離掌子面10 m，并及時進行反壓回填，為防止二次塌方，拱部采用大管棚對前方松散體及塌腔口周邊進行水泥-水玻璃固結注漿，之后繼續(xù)清理上臺階塌方體至掌子面，開始進行第二循環(huán)大管棚施工。后續(xù)開挖過程中，掌子面涌水量進一步增大，局部管棚間隙中有泥漿流出，為確保隧洞施工安全，采取在掌子面設止?jié){墻加固，全斷面超前注漿的方式進行處理，并采用帶高壓止水閘閥鋼管集中引排水。全斷面注漿施工結束后，采用臺階法并預留核心土進行人工開挖。開挖過程中在注漿效果薄弱部位，使用超前小導管注漿加固。為保證施工安全和防止初支在全斷面注漿過程中受力變形，在止?jié){墻及鉆機操作平臺修建完成后，在止?jié){墻后方施做徑向注漿。

全斷面超前帷幕注漿加固止水及加固效果較好，開挖過程中滲流量明顯減少，僅局部有滲水現(xiàn)象，圍巖基本穩(wěn)定。但是全斷面帷幕注漿存在施做工期長，注漿控制難度大、造價較高等缺點。隨后在施工過程中改進工藝，采取“超前水平旋噴+超前帷幕注漿”相結合的處理方式，利用超前水平旋噴樁在開挖輪廓線周邊形成止水帷幕墻，并對砂層起到剛性承載支護的作用，超前帷幕注漿對地層空隙進行填充止水及加固，并在掌子面前方形成止水帷幕，最終在隧洞周邊形成封閉的止水帷幕，將地下水隔阻于開挖輪廓線之外。相較于全斷面帷幕注漿加固方法，“超前水平旋噴+超前帷幕注漿”相結合的處理方式，單循環(huán)周期短、造價相對較低。目前該洞段已順利貫通。

4 結語

邊山洪積扇及山前傾斜洪積平原區(qū)，沉積交錯雜亂，地層分布韻律差，地質(zhì)結構復雜，在扇緣與平原過渡地帶，往往主要分布為黏性土類的細粒土物質(zhì)。該地區(qū)常分布有多層含水層，上部的砂層中往往集聚上層滯水，一般水量小、季節(jié)性變化大，但是當砂層分布范圍較大時，儲水量會增大；其深部?？赡苡泻玫纳暗[層承壓水。此區(qū)域土壤肥沃，多為當?shù)剞r(nóng)業(yè)高產(chǎn)田區(qū)，在北方干旱地區(qū)常分布有較多的水井。為此，在工程勘察設計階段，要采取相應的勘探方法和手段查明地下洞室以下一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)結構、物質(zhì)組成和水文地質(zhì)條件，并在施工期注意工程區(qū)域周邊地下水開采抽排情況，同時加強施工地質(zhì)和超前預報工作，從而指導施工。