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原文传递隧道充填型致灾构造突涌水机理与灾害防控方法研究

论文题名：	隧道充填型致灾构造突涌水机理与灾害防控方法研究
关键词：	隧道工程;突水突泥机理;数值模拟;风险评价;施工决策
摘要：	随着我国交通、水电等国家基础设施建设的高速发展与“一带一路”战略的深入实施，我国重大基础工程的建设重心正在逐步向地质地形复杂多变的山区与岩溶地区转移。修建的铁路、公路隧道工程与隧洞工程往往具有洞线长、埋深大、工程地质水文条件复杂等明显特点，因而在施工中将面临诸多潜在的地质灾害，其中隧道(洞)突水突泥灾害是最为常见的主要地质灾害之一。本文依托成都-兰州铁路深长隧道工程，通过理论分析、室内试验、数值模拟、软件研发、等手段，深入研究了隧道充填型致灾构造的突水突泥灾变机理与隧道突水灾害动态调控、施工决策方法，主要研究成果如下: 　　(1)根据充填介质破坏失稳类型，提出了隧道充填介质基于不同破坏模式的渗透模型和力学模型，揭示了充填介质在水-力作用下的灾变演化过程。对于泥砂型充填介质渗透破坏，推导了渗流通道周边充填介质渗流流速及渗流通道内的水流流速的关系式，提出了充填介质渗透失稳临界水力坡度计算方法;对于粘土型充填介质滑移破坏，提出了基于强度条件的失稳判据及最小安全厚度判据，分析了不同影响因素对粘土型充填结构临界长度的影响规律。　　(2)依托成兰铁路杨家坪隧道现场突泥案例，配制了充填介质相似材料，采用三轴渗透试验系统开展了充填型突涌水致灾构造渗透失稳试验，研究了高岭土含量，渗压加载速率对充填型致灾构造渗透失稳过程的影响规律，通过对涌出物变化特征及渗流前后充填介质颗粒级配、力学参数进行定性定量分析，将渗流过程划分为初始渗流-加速渗流-稳定渗流三个阶段，并对各个阶段的渗流特性进行了描述，再现了充填介质渗透失稳诱发突水突泥灾害的全过程，揭示了充填型致灾构造渗透失稳渐进演化规律。　　(3)基于颗粒离散元法基本原理，从泥砂型充填介质的微观结构与胶结特性出发，提出了充填非均质粘结强度模型，通过数值模拟揭示了直剪试验过程中变化规律，分析了接触刚度、粘结半径、粘结强度、颗粒摩擦系数等细观参数对充填介质抗剪强度、粘聚力和内摩擦角宏观参数的影响规律。提出了考虑水力侵蚀弱化作用的粘结断裂准则，形成了基于DEM-CFD方法的两相介质流-固耦合模拟分析方法。通过开展充填介质失稳过程数值模拟试验，研究了不同粘土含量，渗压加载速率等工况下流场、孔隙率、颗粒流失量、侵蚀率、颗粒受力变化规律，实现了充填介质渗透失稳演化过程模拟分析，为隧道充填型致灾构造突涌水演化过程提供了数值模拟方法。　　(4)提出了以地质调查信息为基础，以隧道常规超前预报与精细化探水预报技术为手段，同时融合隧道实时动态施工信息的突涌水灾害“二阶段”综合评定方法，针对不同阶段不同评估结果制定了突涌水灾害动态调控与施工决策方案。将隧道突涌水风险评价方法与对应的调控措施与施工决策进行集成，开发了隧道突涌水灾害评价系统软件。相关研究成果在成兰铁路跃龙门隧道下穿河高风险突涌水段得到了成功应用。
作者：	卜林
专业：	岩土工程
导师：	邬爱清;Jin Yeam Ooi
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022