隧道充填型管道構(gòu)造突涌水機(jī)理與預(yù)測預(yù)警及工程應(yīng)用.pdf

1、隨著交通、水利水電等重大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，尤其是西部大開發(fā)戰(zhàn)略和國家“十二五”計(jì)劃的深入實(shí)施，重大工程建設(shè)重心向地形地質(zhì)極端復(fù)雜的西部山區(qū)與巖溶地區(qū)轉(zhuǎn)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(shè)的工程中，存在大量的高風(fēng)險(xiǎn)深長巖溶隧道，修建過程中極易遭遇重大突水災(zāi)害。僅21世紀(jì)的前10年間，我國交通、水電領(lǐng)域隧道建設(shè)中發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害百余起，其中，突水和突水誘發(fā)的災(zāi)害占77.3％，死傷近千人，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，惡劣的社

2、會(huì)影響，嚴(yán)重的環(huán)境破壞。深長隧道突水災(zāi)害難以遏制的根本原因在于，突水的發(fā)生機(jī)理和災(zāi)變演化機(jī)制極為復(fù)雜，尚未形成系統(tǒng)清晰的認(rèn)識，難以對災(zāi)害的預(yù)防和控制進(jìn)行有效的指導(dǎo)。
　　本文以管道型致災(zāi)構(gòu)造的突水機(jī)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(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，深入研究管道型致災(zāi)構(gòu)造充填介質(zhì)滲透破壞機(jī)理、施工擾動(dòng)下突水災(zāi)變演化過程以及工程預(yù)警機(jī)制，取得了具有一定理論價(jià)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(tǒng)計(jì)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(zāi)害的系統(tǒng)整理，從形態(tài)、補(bǔ)給、富水、充填特性方面分別對災(zāi)害源的類型進(jìn)行劃分，提出災(zāi)害源的致災(zāi)條件。針對管道型災(zāi)害源的延展性、隱蔽性、致災(zāi)性特點(diǎn)，揭示了其賦存規(guī)律和孕災(zāi)模式，提出了管道型致災(zāi)構(gòu)造孕災(zāi)性評價(jià)的指標(biāo)體系和基于屬性識別模型的孕災(zāi)性分級標(biāo)準(zhǔn)。
　　(2)基于充填介質(zhì)的顆粒級配特征及膠結(jié)狀態(tài)，將充填

4、介質(zhì)分為砂礫型、泥砂型和粘土型3種類型。研制了應(yīng)力-滲流耦合三軸滲透試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是開發(fā)了三維滲流-應(yīng)力-損傷耦合壓力室，進(jìn)行了完善的密封和加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展了模擬充填介質(zhì)賦存條件下的滲透試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了不同類型充填介質(zhì)的滲透特征，揭示了充填介質(zhì)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(zhì)不同滲透破壞模式，從試驗(yàn)現(xiàn)象入手，對管道型致災(zāi)構(gòu)造充填介質(zhì)滲透破壞機(jī)理進(jìn)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(jìn)行描述。滲透型破壞經(jīng)歷了充填體整體強(qiáng)度破壞和水流沖刷擴(kuò)徑兩個(gè)過程，基于強(qiáng)度條件和運(yùn)動(dòng)平衡條件，分別對兩個(gè)階段的起動(dòng)條件和發(fā)展過程進(jìn)行分析?；菩推茐氖菨B透作用下充填體整體的力學(xué)破壞，充填體的厚度是其安全性的重要指標(biāo)，通過條分法計(jì)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(dòng)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(zāi)變演化機(jī)制和前兆規(guī)律，研制了大型三維可視化固液耦合試驗(yàn)平

6、臺、水壓加載控制系統(tǒng)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(yàn)，真實(shí)再現(xiàn)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(kuò)展-導(dǎo)水通道貫通-突水”的全過程。通過位移、應(yīng)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(zāi)變演化機(jī)制和突水前兆特征。
　　(5)根據(jù)工程在勘察設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測

7、等方面工作的特點(diǎn)，建立了基于區(qū)域地質(zhì)信息、超前預(yù)報(bào)信息、監(jiān)控量測信息及工程信息修正的貫穿整個(gè)工程建設(shè)過程的“三階段多因素”預(yù)警體系，綜合考慮突水強(qiáng)度、報(bào)警位置及防控時(shí)間，形成了巖溶管道突水的綜合預(yù)警機(jī)制，提出了不同預(yù)警級別的防控措施和應(yīng)急預(yù)案。
　　(6)在保宜高速尚家灣隧道中對相關(guān)成果進(jìn)行應(yīng)用，系統(tǒng)分析了突水災(zāi)害的致災(zāi)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(jù)突