隧道充填型管道構造突涌水機理與預測預警及工程應用.pdf

1、隨著交通、水利水電等重大基礎設施的建設，尤其是西部大開發(fā)戰(zhàn)略和國家“十二五”計劃的深入實施，重大工程建設重心向地形地質極端復雜的西部山區(qū)與巖溶地區(qū)轉移，我國已成為世界上隧道修建規(guī)模與難度最大的國家。正在或即將建設的工程中，存在大量的高風險深長巖溶隧道，修建過程中極易遭遇重大突水災害。僅21世紀的前10年間，我國交通、水電領域隧道建設中發(fā)生重大地質災害百余起，其中，突水和突水誘發(fā)的災害占77.3％，死傷近千人，造成重大的經濟損失，惡劣的社

2、會影響，嚴重的環(huán)境破壞。深長隧道突水災害難以遏制的根本原因在于，突水的發(fā)生機理和災變演化機制極為復雜，尚未形成系統清晰的認識，難以對災害的預防和控制進行有效的指導。
　　本文以管道型致災構造的突水機理為主要研究對象，以湖北省?？抵烈瞬咚俟飞屑覟乘淼罏橐劳泄こ?，通過室內實驗、理論分析、數值計算、模型試驗和現場試驗等手段，深入研究管道型致災構造充填介質滲透破壞機理、施工擾動下突水災變演化過程以及工程預警機制，取得了具有一定理論價值

3、和工程意義的研究成果，主要包括:
　　(1)通過大量突水案例的統計分析，尤其對渝懷鐵路圓梁山隧道和宜萬鐵路云霧山隧道多次突水災害的系統整理，從形態(tài)、補給、富水、充填特性方面分別對災害源的類型進行劃分，提出災害源的致災條件。針對管道型災害源的延展性、隱蔽性、致災性特點，揭示了其賦存規(guī)律和孕災模式，提出了管道型致災構造孕災性評價的指標體系和基于屬性識別模型的孕災性分級標準。
　　(2)基于充填介質的顆粒級配特征及膠結狀態(tài)，將充填

4、介質分為砂礫型、泥砂型和粘土型3種類型。研制了應力-滲流耦合三軸滲透試驗系統，尤其是開發(fā)了三維滲流-應力-損傷耦合壓力室，進行了完善的密封和加載系統設計，開展了模擬充填介質賦存條件下的滲透試驗，系統分析了不同類型充填介質的滲透特征，揭示了充填介質涌水型、滲透型和滑移型3種典型滲透破壞模式。
　　(3)針對充填介質不同滲透破壞模式，從試驗現象入手，對管道型致災構造充填介質滲透破壞機理進行研究。涌水型破壞可以簡化為管道流，用Navie

5、r-Stokes方程對流態(tài)進行描述。滲透型破壞經歷了充填體整體強度破壞和水流沖刷擴徑兩個過程，基于強度條件和運動平衡條件，分別對兩個階段的起動條件和發(fā)展過程進行分析。滑移型破壞是滲透作用下充填體整體的力學破壞，充填體的厚度是其安全性的重要指標，通過條分法計算得到充填體發(fā)生滑移破壞條件下的最小安全厚度。
　　(4)為研究施工擾動和地下水滲透作用下，充填型巖溶管道滲透失穩(wěn)突水的災變演化機制和前兆規(guī)律，研制了大型三維可視化固液耦合試驗平

6、臺、水壓加載控制系統以及水壓環(huán)境下有較好相似度的流-固耦合巖石和充填物相似材料。以湖北省?？抵烈瞬咚俟飞屑覟乘淼劳挥克螢楣こ瘫尘埃_展了深長隧道充填型巖溶管道滲透失穩(wěn)突水的大比尺三維流-固耦合模型試驗，真實再現了隧道開挖和水壓加載過程，巖溶管道充填物中“裂隙形成-擴展-導水通道貫通-突水”的全過程。通過位移、應力和滲壓變化規(guī)律的分析，揭示了充填物滲透失穩(wěn)的災變演化機制和突水前兆特征。
　　(5)根據工程在勘察設計、施工、監(jiān)測

7、等方面工作的特點，建立了基于區(qū)域地質信息、超前預報信息、監(jiān)控量測信息及工程信息修正的貫穿整個工程建設過程的“三階段多因素”預警體系，綜合考慮突水強度、報警位置及防控時間，形成了巖溶管道突水的綜合預警機制，提出了不同預警級別的防控措施和應急預案。
　　(6)在保宜高速尚家灣隧道中對相關成果進行應用，系統分析了突水災害的致災因素，揭示了隧道ZK64+920斷面發(fā)生多次突水的原因，即為與地表有較好連通性的過水型巖溶管道誘發(fā)的突水。根據突