河南某工程引水隧洞突泥突水原因分析與處理措施

□牛書安 □于新政 □石守亮（黃河勘測規劃設計有限公司）

1 工程概況

該工程位于河南省安陽市境內，工程主要建筑物由進水口、引水隧洞、出水口及埋管段組成。其中，引水隧洞進口底板高程為471.50m，隧洞長度約3.79km，斷面為2.50m ×3.00m 城門洞型，引水隧洞出口高程為469.50m。

2 引水隧洞的基本地質條件

引水隧洞區自北西向南東，由太行山侵蝕剝蝕中低山峽谷區突變為山前沖積、洪積傾斜平原區，地面高程1187～400m，地形相對高差約790m。引水隧洞經過的地層主要有太古界登封群黑云母斜長片麻巖、花崗巖狀片麻巖等；元古界中統汝陽群薄層～巨厚層狀含礫砂巖、礫巖；第四系全新統（Q4）沖洪積及坡積堆積形成的塊石、碎石、漂石、卵石及粘性土等松散堆積物。

工程區在大地構造位置上處于華北斷塊區（一級構造單元）內的太行斷塊和冀魯斷塊（二級構造單元）的交接地帶，區域斷裂展布以北北東—北東向為主，其次是北西向，局部地區有近東西和近南北向斷裂分布，但一般規模不大。引水隧洞位于一向北東緩傾的單斜構造中，巖層產狀由5 °∠5～10 °轉為85 °∠5～10 °。林州斷裂(F1)為工程區內最大斷裂，在鉆孔zk4 附近大角度與引水隧洞相交，斷裂走向5～100°，傾向SE，傾角為60～80 °，為一正斷層，斷距1000 余米，斷層帶寬度>10m。

工程區可以劃分為兩個水文地質單元，與地貌單元基本吻合，即侵蝕剝蝕中低山區以基巖裂隙、巖溶、斷層等含水結構為主的基巖含水區和山前沖洪積傾斜平原以松散堆積物含水結構為主的第四系松散堆積物含水區。

根據圍巖強度、完整程度、結構面特征、地下水、地應力等特征對隧洞進行評價，該引水隧洞圍巖Ⅳ～Ⅴ類占13%，Ⅱ～Ⅲ類占87%。引水隧洞突泥突水洞段圍巖特征見表1，洞段剖面示意圖見圖1。

圖1 引水隧洞突泥突水洞段剖面示意圖

3 引水隧洞的突泥突水原因分析

3.1 構造條件與突泥突水的關系

在隧洞突泥突水部位附近，是林州斷裂通過的洞段，林州斷裂是近場區最大的斷裂，該斷裂北起趙家墁～水河～桃園，南至合澗南端附近，全長40 余公里，也是豫北西部的較大斷裂。斷距>1000m。斷層上盤在繼承性沉降過程中，由于底盤的阻隔和不均勻的差異作用，派生了一系列北北東向和北西西向的斷裂產生。該斷裂延伸遠、規模大，是地下水貯存和運移的良好通道，同時，由于斷層帶物質多有泥質（構造形成或后期充填，或風化形成），給突泥突水創造了良好的物質條件。

表1 引水隧洞突泥突水洞段圍巖特征表

3.2 氣象條件與突泥突水的關系

對于缺水的北方來說，雨季和旱季的地下水位相差甚遠，特別是山區，由于降雨量的增加，使地下水位明顯上升。本工程在進行勘察設計時，降雨量較少，地下水位很低，在勘察深度范圍內未見地下水，當施工進入到斷層影響洞段時，正逢雨季，降雨使地下水位明顯提高，進而使斷層帶充水，使突泥突水成為可能。本次突泥正是雨季，特別是前一天的中雨是本次突泥的直接原因。

3.3 水文地質條件

引水隧洞區可以劃分為兩個水文地質單元，即侵蝕剝蝕中低山區的基巖含水區和山前沖洪積傾斜平原的第四系松散堆積物含水區。兩者的含水特征有所差別，前者以基巖裂隙、斷層等含水結構為主，后者以松散堆積物（沖洪積、坡積碎石土為主）含水結構為主，滲透系數大，滲透能力強。突泥突水部位正位于兩個水文地質單元交匯部位，也是地下水容易匯集的部位，該部位可以得到地下水源源不斷的補給。

3.4 突泥突水空腔形態

突泥突水現象發生后，必然會形成一個空腔，經物探探測，在樁號K3+402 附近有一容積>500m3的空腔，根據地形地質條件和構造特征分析，空腔走向垂直于引水隧洞軸線方向，高程位于隧洞底板高程以上，只有位于底板高程以上的流體形式的物質才有較高的勢能壓力，使產生突泥突水成為可能，然后再進一步形成空腔。

4 處理措施與效果

隧洞突泥突水的治理通常有3 種方法：直接疏排、疏堵結合和預先封堵。幾種方法的施工方法和優缺點見表2。

表2 突泥突水不同治理方法的優缺點表

4.1 在地表進行鉆孔注漿封堵空腔

根據物探探測成果和地質資料分析，突水突泥洞段存在空腔，為阻止流體物質沿空腔繼續涌入洞中，要求在洞外空腔頂部布置鉆孔，當鉆孔孔深達到空腔時，利用地泵將C15 混凝土注入鉆孔，要求混凝土塌落高度200～220mm。待空腔充填后，沿洞軸線方向，布設固結灌漿孔，間距1.50m，3 排，呈梅花形狀布設。隧洞底部以上30.00m 開始，分6 段，每段長5.00m，水泥采用PC32.5R，壓力0.30～0.50MPa，水灰比1:0.50～1:1，灌漿孔采用φ73mm 鉆頭，鉆進完成后，下φ50mm 灌漿管，然后下噴射管進行灌漿。灌漿結束的標志為在規定壓力下，注入率≤0.40L/min，繼續灌60min；或注入率≤1.00L/min，繼續灌90min，方可結束。

4.2 做好排水清泥工作

洞內分段設置集水坑，采用管井排水法進行排水，集水坑和集水坑之間采用型號為119 的鋼管將所有集水坑貫通成整體，最后采用離心式水泵進行抽排。對浸潤后易軟化的隧洞底板，采用20～30cm 的碎石進行換填，并灌注水泥砂漿，為清泥做好準備。

對拱架未出現變位的洞段，用小型的裝載機直接清渣、清泥。對于鋼拱架變形的洞段，在清理時采取邊清理邊支護，支護時將鋼拱架間距縮小為20～50cm 一榀，鋼筋采用Ф25mm，噴射20cm 混凝土，進行到塌陷區采取雙鋼拱架支護。噴漿過程中如遇到有涌水現象，需加裝導管，以便進行排水。在處理鋼拱架變形洞段時，在兩個鋼拱架變形的中間加槽鋼拱架焊接進行加固，再清除變形的鋼骨架，以免形成再次塌方。清渣、清泥前在塌體區設置觀測點，以后每清除5m 后打樁，在清理同時測量員必須到位，及時觀測洞內支護鋼拱架位置，如再次塌方，應根據樁號提供塌體準確數據。

4.3 加強安全保障

堅持“安全第一，預防為主”的方針，建立健全管理組織機構，完善生產保障體系，確保人員生命財產不受損害。建立項目部和施工隊兩級安全保障體系，項目部設專職安全長，隊和班組設專職安全員主抓安全工作。保證安全工作貫穿于施工全過程，充分發揮各專職安全人員的監督工作。

在處理塌方體時要求短進尺、快支護、少擾動、勤量測。準備好應急救治醫療器材、應急救援設備和應急救援器材等物資。在進行到塌陷區時施做棚架，以利施工方便，保障安全。

4.4 加強地質超前預報工作

結合超前預報的地質資料，布置地質超前鉆孔，探明掌子面前方地質情況，進一步驗證超前預報的成果。從功效性和經濟性考慮，鉆孔深度定為10～15m。另外，可利用炮眼孔判斷掌子面前面5m 的安全范圍，如遇異常情況，立即采取相應措施。孔位的布置應根據斷面大小及掌子面巖性情況合理布置。

經施工驗證，上述處理方案的效果較好。

5 結論

該引水隧洞突水突泥產生的主要原因與地質構造、氣象條件和水文地質條件都有密切關系，林州斷裂為突水突泥的產生準備了物質條件，大氣降雨成為突水突泥產生的直接原因，突水突泥洞段恰好位于兩個水文地質單元的交界部位，也是地下水相對集中部位，因此，使突水突泥現象持續產生成為可能。隧洞突泥突水的治理通常有直接疏排、疏堵結合和預先封堵等三種方法，根據本工程的地質條件和突泥突水特征，選擇了以排為主，局部封堵的疏堵結合治理方案，經施工驗證處理效果較好。

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