河南某工程引水隧洞突泥突水原因分析与处理措施

□牛书安 □于新政 □石守亮（黄河勘测规划设计有限公司）

1 工程概况

该工程位于河南省安阳市境内，工程主要建筑物由进水口、引水隧洞、出水口及埋管段组成。其中，引水隧洞进口底板高程为471.50m，隧洞长度约3.79km，断面为2.50m ×3.00m 城门洞型，引水隧洞出口高程为469.50m。

2 引水隧洞的基本地质条件

引水隧洞区自北西向南东，由太行山侵蚀剥蚀中低山峡谷区突变为山前冲积、洪积倾斜平原区，地面高程1187～400m，地形相对高差约790m。引水隧洞经过的地层主要有太古界登封群黑云母斜长片麻岩、花岗岩状片麻岩等；元古界中统汝阳群薄层～巨厚层状含砾砂岩、砾岩；第四系全新统（Q4）冲洪积及坡积堆积形成的块石、碎石、漂石、卵石及粘性土等松散堆积物。

工程区在大地构造位置上处于华北断块区（一级构造单元）内的太行断块和冀鲁断块（二级构造单元）的交接地带，区域断裂展布以北北东—北东向为主，其次是北西向，局部地区有近东西和近南北向断裂分布，但一般规模不大。引水隧洞位于一向北东缓倾的单斜构造中，岩层产状由5 °∠5～10 °转为85 °∠5～10 °。林州断裂(F1)为工程区内最大断裂，在钻孔zk4 附近大角度与引水隧洞相交，断裂走向5～100°，倾向SE，倾角为60～80 °，为一正断层，断距1000 余米，断层带宽度>10m。

工程区可以划分为两个水文地质单元，与地貌单元基本吻合，即侵蚀剥蚀中低山区以基岩裂隙、岩溶、断层等含水结构为主的基岩含水区和山前冲洪积倾斜平原以松散堆积物含水结构为主的第四系松散堆积物含水区。

根据围岩强度、完整程度、结构面特征、地下水、地应力等特征对隧洞进行评价，该引水隧洞围岩Ⅳ～Ⅴ类占13%，Ⅱ～Ⅲ类占87%。引水隧洞突泥突水洞段围岩特征见表1，洞段剖面示意图见图1。

图1 引水隧洞突泥突水洞段剖面示意图

3 引水隧洞的突泥突水原因分析

3.1 构造条件与突泥突水的关系

在隧洞突泥突水部位附近，是林州断裂通过的洞段，林州断裂是近场区最大的断裂，该断裂北起赵家墁～水河～桃园，南至合涧南端附近，全长40 余公里，也是豫北西部的较大断裂。断距>1000m。断层上盘在继承性沉降过程中，由于底盘的阻隔和不均匀的差异作用，派生了一系列北北东向和北西西向的断裂产生。该断裂延伸远、规模大，是地下水贮存和运移的良好通道，同时，由于断层带物质多有泥质（构造形成或后期充填，或风化形成），给突泥突水创造了良好的物质条件。

表1 引水隧洞突泥突水洞段围岩特征表

3.2 气象条件与突泥突水的关系

对于缺水的北方来说，雨季和旱季的地下水位相差甚远，特别是山区，由于降雨量的增加，使地下水位明显上升。本工程在进行勘察设计时，降雨量较少，地下水位很低，在勘察深度范围内未见地下水，当施工进入到断层影响洞段时，正逢雨季，降雨使地下水位明显提高，进而使断层带充水，使突泥突水成为可能。本次突泥正是雨季，特别是前一天的中雨是本次突泥的直接原因。

3.3 水文地质条件

引水隧洞区可以划分为两个水文地质单元，即侵蚀剥蚀中低山区的基岩含水区和山前冲洪积倾斜平原的第四系松散堆积物含水区。两者的含水特征有所差别，前者以基岩裂隙、断层等含水结构为主，后者以松散堆积物（冲洪积、坡积碎石土为主）含水结构为主，渗透系数大，渗透能力强。突泥突水部位正位于两个水文地质单元交汇部位，也是地下水容易汇集的部位，该部位可以得到地下水源源不断的补给。

3.4 突泥突水空腔形态

突泥突水现象发生后，必然会形成一个空腔，经物探探测，在桩号K3+402 附近有一容积>500m3的空腔，根据地形地质条件和构造特征分析，空腔走向垂直于引水隧洞轴线方向，高程位于隧洞底板高程以上，只有位于底板高程以上的流体形式的物质才有较高的势能压力，使产生突泥突水成为可能，然后再进一步形成空腔。

4 处理措施与效果

隧洞突泥突水的治理通常有3 种方法：直接疏排、疏堵结合和预先封堵。几种方法的施工方法和优缺点见表2。

表2 突泥突水不同治理方法的优缺点表

4.1 在地表进行钻孔注浆封堵空腔

根据物探探测成果和地质资料分析，突水突泥洞段存在空腔，为阻止流体物质沿空腔继续涌入洞中，要求在洞外空腔顶部布置钻孔，当钻孔孔深达到空腔时，利用地泵将C15 混凝土注入钻孔，要求混凝土塌落高度200～220mm。待空腔充填后，沿洞轴线方向，布设固结灌浆孔，间距1.50m，3 排，呈梅花形状布设。隧洞底部以上30.00m 开始，分6 段，每段长5.00m，水泥采用PC32.5R，压力0.30～0.50MPa，水灰比1:0.50～1:1，灌浆孔采用φ73mm 钻头，钻进完成后，下φ50mm 灌浆管，然后下喷射管进行灌浆。灌浆结束的标志为在规定压力下，注入率≤0.40L/min，继续灌60min；或注入率≤1.00L/min，继续灌90min，方可结束。

4.2 做好排水清泥工作

洞内分段设置集水坑，采用管井排水法进行排水，集水坑和集水坑之间采用型号为119 的钢管将所有集水坑贯通成整体，最后采用离心式水泵进行抽排。对浸润后易软化的隧洞底板，采用20～30cm 的碎石进行换填，并灌注水泥砂浆，为清泥做好准备。

对拱架未出现变位的洞段，用小型的装载机直接清渣、清泥。对于钢拱架变形的洞段，在清理时采取边清理边支护，支护时将钢拱架间距缩小为20～50cm 一榀，钢筋采用Ф25mm，喷射20cm 混凝土，进行到塌陷区采取双钢拱架支护。喷浆过程中如遇到有涌水现象，需加装导管，以便进行排水。在处理钢拱架变形洞段时，在两个钢拱架变形的中间加槽钢拱架焊接进行加固，再清除变形的钢骨架，以免形成再次塌方。清渣、清泥前在塌体区设置观测点，以后每清除5m 后打桩，在清理同时测量员必须到位，及时观测洞内支护钢拱架位置，如再次塌方，应根据桩号提供塌体准确数据。

4.3 加强安全保障

坚持“安全第一，预防为主”的方针，建立健全管理组织机构，完善生产保障体系，确保人员生命财产不受损害。建立项目部和施工队两级安全保障体系，项目部设专职安全长，队和班组设专职安全员主抓安全工作。保证安全工作贯穿于施工全过程，充分发挥各专职安全人员的监督工作。

在处理塌方体时要求短进尺、快支护、少扰动、勤量测。准备好应急救治医疗器材、应急救援设备和应急救援器材等物资。在进行到塌陷区时施做棚架，以利施工方便，保障安全。

4.4 加强地质超前预报工作

结合超前预报的地质资料，布置地质超前钻孔，探明掌子面前方地质情况，进一步验证超前预报的成果。从功效性和经济性考虑，钻孔深度定为10～15m。另外，可利用炮眼孔判断掌子面前面5m 的安全范围，如遇异常情况，立即采取相应措施。孔位的布置应根据断面大小及掌子面岩性情况合理布置。

经施工验证，上述处理方案的效果较好。

5 结论

该引水隧洞突水突泥产生的主要原因与地质构造、气象条件和水文地质条件都有密切关系，林州断裂为突水突泥的产生准备了物质条件，大气降雨成为突水突泥产生的直接原因，突水突泥洞段恰好位于两个水文地质单元的交界部位，也是地下水相对集中部位，因此，使突水突泥现象持续产生成为可能。隧洞突泥突水的治理通常有直接疏排、疏堵结合和预先封堵等三种方法，根据本工程的地质条件和突泥突水特征，选择了以排为主，局部封堵的疏堵结合治理方案，经施工验证处理效果较好。

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