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原文传递隧道断层破碎带渗透破坏演化机理与突水突泥防控决策方法及应用

论文题名：	隧道断层破碎带渗透破坏演化机理与突水突泥防控决策方法及应用
关键词：	断层破碎带;突水突泥;灾变机理;演化过程;防控决策;数值模拟
摘要：	重大突水突泥灾害是隧道及地下工程施工中面临的主要地质灾害之一。深埋隧道穿越富水断层破碎带时，在地应力、开挖扰动及地下水的多重作用下，极易发生突水突泥灾害，对隧道工程安全建设、人民生命安全和生态环境保护等构成严重威胁。突水突泥灾变机理科学认知、演化过程真实模拟和科学调控是实现灾害主动防控的理论基础与关键前提。本文围绕隧道断层破碎带充填介质渗透破坏突水突泥灾变机理与调控决策方法，采用案例统计、理论分析、室内试验和数值模拟等手段，阐明了断层破碎带突水突泥灾变机理，再现了突水突泥灾害的演化过程，提出了突水突泥灾害风险调控策略与规避措施决策方法，为重大突水突泥灾害的有效主动防控提供科学依据。主要研究成果和研究结论如下: 　　(1)统计分析了120余例隧道断层破碎带核部充填介质粒径分布情况，基于分形理论，发现了充填介质的粒度分形维数在2.335-2.950之间，建立了断层充填介质粒度分布曲线的一重和多重分形特征。开展了不同分维数和初始干密度下充填介质的饱和含水率、比重、渗透性和三轴剪切试验，构建了充填介质黏聚力、内摩擦角及渗透系数与分维数和初始干密度的表征关系。基于介质的充填特性和物理力学特性，结合实际突水突泥案例，划分了断层破碎带充填介质类型及突水突泥模式。　　(2)研制了断层破碎带充填介质渗透破坏三维可视化试验系统，由框架试验台架、可视化渗透试验室、液压控制系统、水压加载系统和数据监测与采集系统组成，试样尺寸60mm×200mm×300mm，可实现四面、三向应力的独立加载、卸载和控制，彼此互不影响，实现了真正意义上的真三轴模拟。系统加载精度高，竖向地应力可加载到3MPa，加载精度为0.001MPa，加载过程中稳压系统智能补偿压力损耗，研制了智能恒压供水装置，提供持续稳定的有压水源，同时研发了自动旋转式升降结构和自动运移基础台架，可实现可视化渗透试验室的自动进出。　　(3)基于自主研制的新型三维试验系统，开展了不同地应力、分维数和水压加载梯度下的充填介质渗透破坏室内试验，揭示了突水突泥过程中渗透率、孔隙率、抗剪强度和粘度等多元信息演化规律。试验结果表明:当水力梯度增加到突变水力梯度时，各物理量均出现明显突变，渗流状态由Darcy流转变为非Darcy流，涌出流体本构由牛顿流体转变为宾汉姆流体。基于数据拟合，建立了渗透破坏过程中孔隙率、渗透系数与水力梯度的表征关系，提出了内摩擦角、黏聚力和涌出泥砂总量的数学表达式，获得了流体粘度与质量含水量间的关系曲线方程。通过多元信息融合分析，揭示了充填介质“变孔隙率-变流态-变强度-变渗透性-变粘度”渗透破坏演化机理。　　(4)针对断层破碎带突水突泥全过程模拟分析，基于室内试验揭示的充填体强度等参数随介质流失量的变化规律，建立了可表征渗透破坏机制的强度侵蚀弱化模型，有效描述地下水渗流作用对充填体强度的持续弱化作用，开展了充填介质渗透破坏过程的DEM(离散单元法)-CFD(计算流体力学方法)流固耦合模拟，对比室内试验结果，验证了侵蚀弱化模型的准确性。以四川省跑马山2号隧道突水突泥案例为工程背景，利用所建立的侵蚀弱化模型，开展了工程尺度突水突泥灾害演化过程仿真模拟，揭示了隧道开挖过程位移场和断层突水突泥灾变过程中速度场和突泥量等信息的演化规律。　　(5)针对断层破碎带突水突泥灾害风险调控，提出了隧道灾害动态调控基本思想，总结了突水突泥灾害主动防控“四步走”总体举措。研究了断层宽度、倾角、隧道开挖尺寸和水压对断层破碎带突水突泥的影响规律，提出了灾害风险控制的关键因素。以隧道涌泥量和位移控制为核心，开展了超前注浆加固和疏水泄压等防治措施对断层破碎带稳定性的数值模拟研究，基于隧道位移热图，提出了四种不同断层倾角、宽度和开挖高度组合下隧道断层破碎带突水突泥风险规避措施，为确定科学有效、安全经济的灾害防控决策方案提供了支撑。最后，提出了跑马山隧道后续开挖所需的安全注浆厚度，并开展了相关数值模拟分析进行了验证，为降低或避免突水突泥的二次发生提供了有利参考。
作者：	王美霞
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	杜彦良;杨为民
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022