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原文传递岩溶隧道掌子面突水灾变机理与风险评估研究

论文题名：	岩溶隧道掌子面突水灾变机理与风险评估研究
关键词：	岩溶隧道;掌子面突水;失稳破裂演化;灾害状态辨识;风险评估
摘要：	随着“一带一路”倡议的持续推进和交通强国战略的实施，交通路网向遍布崇山峻岭的西部山区和岩溶地区纵深拓展。作为交通路网重要组成部分的隧道工程在岩溶地区修建过程中常因工程地质和水文地质复杂、岩溶致灾构造发育、地下水活跃，而遭遇各类岩溶地质灾害，其中突水是最常发生且极具危害性的一类，经济损失巨大，严重危及施工人员安全，并造成恶劣的社会影响。岩溶隧道突水灾害难以遏制的根本原因在于突水灾变机理复杂，缺乏有效的突水风险评估和灾害状态辨识方法。基于此，本文针对岩溶隧道掌子面突水灾害，综合采用文献调研、理论分析、室内试验和模型试验等方法，系统开展岩溶隧道掌子面突水灾变机理与风险评估及灾害状态辨识方法等方面的研究。主要研究成果如下：　　（1）统计分析了60座典型岩溶隧道突水灾害的规模和防突岩体特征，发现突水灾害主要发生在深长岩溶隧道，突水量主要集中于100~10000m3/h，提出了完整结构、层状碎裂结构、块状破碎结构、断续结构、土-石混合结构和致密散体结构6种防突岩体结构类型；在修正和完善岩溶发育折减系数的基础上，结合工程岩体分级理念，提出了岩溶隧道防突岩体均质化思想和力学参数确定方法，为后续研究岩溶隧道掌子面稳定性和突水灾变规律提供了清晰的承灾体。　　（2）采用极限分析上限定理和Hoek-Brown破坏准则，提出了考虑渗透力作用的岩溶隧道掌子面防突岩体失稳突水判据，建立了岩溶隧道掌子面防突岩体安全厚度计算方法，探明了防突岩体强度，岩溶水压力，隧道断面尺寸及Hoek-Brown强度参数对岩溶隧道掌子面防突岩体安全厚度的影响规律；基于能量原理定义了岩溶隧道掌子面抗突水稳定性安全系数，揭示了隧道持续开挖近接前伏高压富水溶腔时掌子面防突岩体稳定性动态演化规律。　　（3）系统调研和统计分析了现场原位试验和经验折减法等方法获取的（岩溶）灰岩岩体物理力学和渗透性能参数，得到了（岩溶）灰岩岩体相关参数的分布规律、置信区间和平均值。以此为岩溶隧道掌子面防突岩体原型参数，依据流固耦合相似理论，开展了掌子面防突岩体突水模型试验相似材料最优配合比正交试验，厘清了砂土比、钙铁比、蜡硅比、水泥含量、氯化石蜡含量对相似材料抗压（拉）强度、渗透系数等的影响规律，并确定了其最优配合比。　　（4）研发了融合开挖扰动效应和多元信息监测技术的岩溶隧道突水灾变物理模型试验系统，实现了开挖扰动和高水压条件下岩溶隧道掌子面突水过程再现，amp;nbsp;解决了岩溶隧道掌子面防突岩体失稳突水过程中多元信息演变强隐蔽性的难题。开展了岩溶隧道掌子面防突岩体突水灾变模型试验，深入剖析了岩溶隧道掌子面防突岩体失稳破裂演化特征及突水通道形成过程，揭示了掌子面突水过程中应力、渗压、位移及声发射等多元灾变信息演化规律和指示性敏感程度。　　（5）基于考虑渗透力作用的岩溶隧道掌子面防突岩体失稳突水判据，构建了岩溶隧道掌子面突水风险评估指标体系，提出了评价指标等级划分和界限量化方法，建立了掌子面突水风险各评价指标的隶属度函数，依据最大隶属度原则确定了掌子面4级突水风险评估等级实施流程，形成了一种全新的岩溶隧道掌子面突水风险评估方法。工程案例应用与验证表明该风险评估方法合理、可行。　　（6）采用函数拟合方法建立了岩溶隧道掌子面防突岩体突水多元信息演变的数学模型，并基于熵权法确定了多元信息对掌子面突水灾害的影响权重。结合多元信息演化函数的极值点、驻点、值域等分点以及各信息影响权重，建立了掌子面突水灾害状态精细辨识方法，揭示了多元信息不同突水灾害状态的时长特征。针对不同掌子面突水灾害状态，构建了综合治理技术体系。以巴陕高速米仓山特长公路隧道为例，验证了本文的相关研究成果。
作者：	武文龙
专业：	矿山岩土工程
导师：	刘希亮;郭佳奇
授予学位：	博士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2022