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原文传递岩溶隧道掌子面层状防突岩体突水灾变机制研究

论文题名：	岩溶隧道掌子面层状防突岩体突水灾变机制研究
关键词：	岩溶隧道;灾害源;掌子面;层状防突岩体;突水灾变
摘要：	随着我国隧道及地下工程的快速发展，越来越多的长大隧道穿越各种特殊复杂的地貌、地质和构造单元，会产生各种不同的地质灾害，其突水突泥是岩溶隧道工程中最具危险性的灾害之一。本文运用理论分析方法，分别从自然属性和社会属性划分了岩溶隧道突水灾害源类型，建立了岩溶隧道突水突泥孕灾模式分类方法，厘清了岩溶隧道掌子面各典型隔水岩体防突结构突水失稳模式及灾变过程；对不同种类层状防突岩体的破坏模式和水力破坏机制进行分析，总结推导各类型层状防突岩体的水力破坏判据；运用离散元软件模拟岩溶隧道层状防突岩体突水灾变过程中位移场、渗流场及水压的变化。取得了如下研究成果：　　（1）通过阅读大量的相关文献，概括总结出岩溶地区典型灾害源类型（4大类）：岩溶裂隙、溶腔溶洞、岩溶管道和岩溶地下暗河，并根据4种灾害源的形态、发育规模和蓄存条件等自然属性，概括总结出33个亚类型；根据灾害源对隧道工程的影响，即按社会属性将4大类灾害源分成17个亚类型，研究不同类型灾害源的结构特征和赋存规律。根据时间特征，提出3种典型的岩溶隧道突水突泥孕灾模式，即即时型突水突泥、滞后型突水突泥和间歇型突水突泥；根据孕育机制，提出3种突水突泥孕灾模式，即纯固态型突水突泥、液态-固态混合型突水突泥、气态-固态-液态三相混合型突水突泥，并分别从孕灾模式的定义、孕育过程、致灾特征等方面进行阐述分析。　　（2）将隔水岩体防突结构总结划分为4种类型：完整型结构、块状碎裂结构、断续结构和层状结构。分别从破坏模式、水力破坏力学机制对完整型结构、块状碎裂结构、断续结构进行分析，建立了其破坏模式示意图及水力破坏力学模型，总结推导出不同类型防突岩体结构发生破坏时的临界判据。根据断续结构裂纹间岩桥力学分析，整理推导出岩石裂纹扩展的损伤阀值计算公式。在渗透水压的作用下，损伤变量随着支裂纹的扩展不断增大，随着应力强度因子的增加而迅速减小；在支裂纹扩展的过程中，当损伤变量增大到裂纹扩展的损伤阀值时，岩桥会发生贯通，从而导致防突岩体发生劈裂破坏。　　（3）根据层状防突岩体层间胶结强度及胶结物的性质，将层状防突岩体类型及其破坏模式分为3种：胶结物强度较高且与原岩完全胶结一起的层状防突岩体结构发生劈裂破坏、胶结充填物强度较低但渗透性较强的层状防突岩体发生接触冲刷破坏、胶结充填物无成岩且渗透性较弱层状防突岩体发生剪切滑移破坏。基于断裂力学理论，分析三种层状防突岩体水力破坏力学机制，总结推导出各类型层状防突岩体发生水力破坏的临界判据，建立临溶腔侧裂纹扩展力学模型、接触冲刷力学模型、剪切滑移失稳力学模型及三种破坏模式示意图。　　（4）根据各类型层状防突岩体临界判据公式，分析其随各影响因素的变化趋势。层状防突岩体劈裂破坏临界水压力随层状节理裂纹的长度的增大而增大，且增大的幅度逐渐减小，随断裂因子的增加而呈线性减小；层状防突岩体临界水力坡度随泥化土层的渗透率增加而迅速减小，随水动力黏滞系数增大逐渐增大，随渗透系数增大而近似呈线性减小，随泥化土层的孔隙率增加而迅速减小并且其减小的幅度逐渐降低；层状防突岩体安全系数随土体侧压力系数增加而呈线性增大，随流速增加而逐渐减小，随土体粒径等增加而逐渐增大，随溶腔内的水位高度增加而逐渐减小。　　（5）利用离散元软件模拟岩溶隧道在开挖过程中掌子面不断靠近前伏高压富水溶腔时层状防突岩体突水破坏演化过程。随着层状岩体节理倾角的增大，岩体的力学性质随之减弱，岩溶隧道掌子面层状防突岩体横向挤出位移不断增加，岩溶水沿着层状节理方向更易发生渗流，岩溶隧道防突岩体最小安全厚度也不断增大。当溶腔水压增大时，在相同的计算时间内，其隧道防突岩体水平挤出位移不断增加，且随着开挖的进行，岩溶隧道掌子面距离溶腔较近时，防突岩体各点横向位移变化更加明显。当层状防突岩体的厚度相同时，随着溶腔水压的增高，其水平方向横向挤出位移越容易发生突变，即溶腔水压越高岩溶隧道防突岩体越容易发生突水破坏。
作者：	杨卫领
专业：	建筑与土木工程
导师：	郭佳奇;徐冲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	河南理工大学
学位年度：	2022