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原文传递川藏铁路深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥致灾机理研究

论文题名：	川藏铁路深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥致灾机理研究
关键词：	深埋隧道;活动断裂;穿越施工;突水突泥灾害;灾变演化
摘要：	川藏铁路沿线发育有上百条活动断裂，第四纪以来断裂活动十分强烈，活动速率高且地震频繁，1300年以来共发生Ms5.0级以上地震80余次。受断裂错动和地震振动影响，川藏铁路深埋隧道在穿越活动断裂时隔水岩体极易破裂失稳而发生突水突泥灾害，可造成重大人员伤亡与巨大经济损失。由于活动断裂大位移蠕滑、粘滑错动、地震以及高地应力、高渗透压力多场耦合作用影响，深埋隧道动力突水突泥孕灾模式和灾变演化机理极其特殊、复杂，与隧道穿越非活动断裂突水突泥灾害存在较大差异，现有突水突泥灾变理论难以应用于川藏铁路深埋隧道建设。因此，开展深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥致灾机理研究是亟待解决的重大科学问题，研究成果对于保障隧道安全施工具有重要理论意义和重大工程实用价值，还可应用于未来规划建设的跨活动断裂隧道工程。基于上述问题，本论文采用文献调研、数值模拟、理论分析、室内试验和现场调查相结合的研究方法，建立了川藏铁路沿线活动断裂分类方法以及隧道穿越活动断裂突水突泥灾害综合分类方法，揭示了深埋隧道穿越活动断裂隔水岩体动力破裂机理，推导了岩体分形裂隙动力启裂扩展准则及扩展方向判别准则，建立了隔水岩体最小安全厚度理论计算模型，揭示了深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥灾变演化机理，依托川藏铁路康定2号隧道开展了工程应用研究，研究工作及主要成果如下: 　　(1)基于统计分析的川藏铁路沿线活动断裂发育特征及分类方法研究。统计分析了川藏铁路沿线InSAR地形测量数据、GPS位移监测数据及历史地震监测资料，研究了川藏铁路沿线活动断裂数量、发育规模、历史地震频率与活动速率，揭示了活动断裂发育规律及活动特征。根据历史最大震级、地震活动周期、活动速率与影响带宽度建立了川藏铁路沿线活动断裂定量分类标准，提出了活动断裂综合分类方法，划分了川藏铁路沿线活动断裂类型，为揭示深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥致灾机理奠定了基础。　　(2)基于统计分析的隧道穿越活动断裂突水突泥灾害类型及地质特征研究。分析了国内外现有隧道突水突泥灾害案例，研究了活动断裂致灾构造类型、地质与水文地质特征，根据不同种类活动断裂划分了隧道突水突泥灾害类型。研究了现有隧道突水突泥灾害最大（小）突涌水流量与最大（小）突泥体积，基于灾害规模提出了隧道突水突泥定量分类标准。分析了隧道突水突泥灾害孕育及演化特征，明确了隧道穿越活动断裂突水突泥孕灾模式，建立了基于孕灾模式的突水突泥分类方法。研究了隧道突水突泥灾害物质组成特征，揭示了突涌物固体物质成分及粒径变化规律，并根据物质组成建立了隧道突水突泥灾害分类方法。基于四个分类依据研发了灾害分类代码，建立了隧道穿越活动断裂突水突泥灾害综合分类方法。　　(3)深埋隧道穿越活动断裂隔水岩体动力破裂机理数值模拟与理论分析研究。开展了显微光学鉴定试验、单轴（三轴）压缩强度试验及岩石渗透试验，获取了康定2号隧道岩石物理力学参数。通过颗粒离散元（PFC)数值模拟方法建立了隔水岩体流固耦合数值模型，研究了不同强度、不同频率及不同方向地震波作用下隔水岩体裂隙萌生—扩展—贯通规律，分析了不同倾角预制裂隙对隔水岩体破裂失稳的影响机制。揭示了隔水岩体裂隙动力启裂扩展分形特征，基于分形裂隙尖端应力场修正了应力强度因子，推导了Ⅰ-Ⅱ型分形裂隙拉剪复合动力扩展与Ⅱ型分形裂隙压剪动力扩展应力强度因子表达式，建立了深埋隧道穿越活动断裂隔水岩体分形裂隙动力启裂扩展准则以及扩展方向判别准则。计算了隔水岩体分形裂隙动力启裂扩展临界水压力，建立了深埋隧道穿越活动断裂隔水岩体最小安全厚度理论计算模型，系统揭示了深埋隧道穿越活动断隔水岩体动力破裂机理。　　(4)深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥灾变演化机理模型试验研究。自主设计研发了隧道穿越活动断裂动力灾害地质力学模型试验系统，再现了深埋隧道高地应力与高渗透压力多场耦合孕灾环境，模拟了地震振动与活动断裂错动作用下动力突水突泥灾害孕育演化过程。基于康定2号隧道围岩和活动断裂物理力学性质研制了模型试验相似材料，使用敏感性分析研究了相似材料物理力学性质的主要影响因素，通过正交试验确定了相似材料组分配比。开展了康定2号隧道穿越玉农希活动断裂动力突水突泥灾害模型试验，研究了地震振动与活动断裂错动作用下隧道隔水岩体与活动断裂内的应力、渗透压力以及加速度多物理场的变化规律，揭示了深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥灾变演化机理。　　(5)针对川藏铁路深埋隧道穿越活动断裂动力突水突泥灾害问题，依托康定2号隧道开展了工程应用研究。通过野外地质调査查明了康定2号隧道隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造、地震活动与水文地质等工程地质条件。基于本论文提出的分类方法划分了隧址区活动断裂类型，并针对隧道穿越活动断裂动力突水突泥灾害进行了分类。根据隔水岩体数值模型裂隙动力启裂扩展规律研究了裂隙分形效应，计算了裂隙分形维数。通过分形裂隙动力启裂扩展准则研究了水力劈裂与地震作用下隔水岩体裂隙启裂扩展临界水压力的变化规律，计算了水力劈裂作用下光滑直线裂隙启裂扩展、水力劈裂作用下分形裂隙启裂扩展以及地震与水力劈裂耦合作用下分形裂隙启裂扩展三种情况的隔水岩体最小安全厚度，为康定2号隧道穿越活动断裂动力突水突泥灾害安全防控提供了重要的理论依据。
作者：	孔凡猛
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	薛翊国;邱道宏
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022