【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)的逐步完善,我國(guó)隧道與地下工程得到高度發(fā)展,隧道修建所面臨的地質(zhì)環(huán)境也日益復(fù)雜,強(qiáng)巖溶、大埋深、高地壓,地質(zhì)構(gòu)造極端復(fù)雜,導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害時(shí)常發(fā)生,已經(jīng)成為制約隧道安全快速施工的主要因素之一。對(duì)突水突泥孕災(zāi)環(huán)境認(rèn)識(shí)不清,對(duì)突水突泥災(zāi)害是否發(fā)生判識(shí)不準(zhǔn)是隧道突水突泥災(zāi)害時(shí)常發(fā)生和難以遏制主要原因。本文以隧道突水突泥致災(zāi)系統(tǒng)與充填溶洞間歇型突水突泥災(zāi)變機(jī)理為主要研究對(duì)象,以利萬(wàn)高速齊岳山隧道等眾多工程實(shí)例為依托,通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、軟件研發(fā)、理論分析、試驗(yàn)裝置研制、室內(nèi)試驗(yàn)、典型案例分析等手段,開展隧道突水突泥致災(zāi)系統(tǒng)、巖溶隧道突水突泥抗突評(píng)判方法與軟件及隧道充填溶洞間歇型突水突泥臨災(zāi)判據(jù)三個(gè)方面研究,獲得以下研究成果。(1)調(diào)研了我國(guó)300余例隧道突水突泥工程案例,揭示我國(guó)突水突泥隧道的分布特征,進(jìn)而將誘發(fā)隧道突水突泥災(zāi)害的致災(zāi)系統(tǒng)劃分為3類1 1型,即巖溶類(占比45%,1 42例,包括溶蝕裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型)、斷層類(占比28%,86例,包括富水?dāng)鄬有�、�?dǎo)水?dāng)鄬有汀⒆杷當(dāng)鄬有?和其他成因類(占比27%,84例,包括侵入接觸型、構(gòu)造裂隙型、不整合接觸型、差異風(fēng)化型、特殊條件型),提出了不同類型致災(zāi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、賦存規(guī)律以及識(shí)別方法,并對(duì)每種隧道突水突泥致災(zāi)系統(tǒng)類型開展典型案例分析。研究了隧道突水突泥孕災(zāi)過(guò)程,提出了直接揭露型、漸進(jìn)破壞型、滲透失穩(wěn)型、間歇破壞型4種典型隧道突水突泥孕災(zāi)模式,表征了隧道突水突泥災(zāi)害的孕育、發(fā)展過(guò)程和致災(zāi)特征。(2)提出一種隧道突水突泥抗突評(píng)判方法-RBAM法,可用于隧道工程現(xiàn)場(chǎng)突水突泥的快速判識(shí)�？紤]水動(dòng)力條件、不良地質(zhì)、抗突體厚度和圍巖特征四個(gè)方面因素,構(gòu)建了突水突泥抗突評(píng)判影響因素指標(biāo)體系,并提出了各影響因素等級(jí)劃分方法與評(píng)分體系,形成了適用于工程現(xiàn)場(chǎng)快速查詢與評(píng)判的影響因素分級(jí)與評(píng)分表,闡述了抗突評(píng)判方法的實(shí)施流程。同時(shí),開發(fā)了巖溶隧道突水突泥抗突評(píng)判軟件,實(shí)現(xiàn)了抗突評(píng)判的程序化和界面化,簡(jiǎn)化了評(píng)判操作,便于推廣和使用。工程案例抗突評(píng)判結(jié)果與實(shí)際相符合,驗(yàn)證了方法的合理性和有效性。(3)研究了隧道首次突水突泥的不同破壞類型及二次突水突泥的致災(zāi)因素,分別建立了相應(yīng)的隧道突水突泥臨災(zāi)判據(jù)。針對(duì)弱透水性充填介質(zhì)整體滑移型破壞,提出了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面確定方法,推導(dǎo)了抗突體上作用力計(jì)算公式,并采用郎肯主動(dòng)土壓力理論進(jìn)行了驗(yàn)證。采用彈性梁理論,基于抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則分別建立了完整和含裂隙抗突體的最小安全厚度計(jì)算公式,揭示了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面和最小安全厚度影響因素。針對(duì)強(qiáng)透水性充填介質(zhì)的滲透失穩(wěn)型破壞,考慮滲流通道的實(shí)際流程彎曲問(wèn)題,引入了毛管的彎曲度概念,建立了無(wú)粘性土管涌的變截面螺旋毛管模型。提出了毛管彎曲度與土體顆粒級(jí)配、孔隙率及骨架土體滲透系數(shù)的關(guān)系,并引入螺旋升角的概念將彎曲度與滲流通道傾角建立聯(lián)系。針對(duì)顆粒骨架孔隙中可動(dòng)顆粒含量的不同,分別建立了考慮和忽略顆粒間相互作用的可動(dòng)顆粒啟動(dòng)的臨界水頭梯度計(jì)算公式。針對(duì)二次突水突泥,建立了考慮清淤和降雨的二次突水突泥臨災(zāi)判據(jù),揭示了隧道間歇型突水突泥致災(zāi)機(jī)理。(4)考慮溶洞充填介質(zhì)沉積特征影響著隧道突水突泥特性,研制了溶洞充填介質(zhì)沉積與隧道間歇型突水突泥一體化試驗(yàn)裝置。該裝置分為攪拌裝置、水平流水槽、豎向沉積箱和突水突泥控制裝置四部分,主體采用了具有高透明度的有機(jī)玻璃材質(zhì),實(shí)現(xiàn)了充填介質(zhì)沉積過(guò)程和間歇型突水突泥過(guò)程的可視化。開展溶洞充填介質(zhì)沉積試驗(yàn),揭示了溶洞分層沉積特征及顆粒與距離對(duì)充填特性的影響規(guī)律。開展了隧道間歇型突水突泥災(zāi)變?cè)囼?yàn),再現(xiàn)了清淤和地下水補(bǔ)給誘發(fā)二次(多次)突水突泥孕災(zāi)過(guò)程,揭示了水頭高度、沉積高度和顆粒級(jí)配對(duì)隧道間歇型突水突泥的影響規(guī)律。研究表明:隨著水頭高度的增加,隧道首次突水突泥發(fā)展時(shí)間越短,更加猛烈,泥沙涌出量也隨之增加;隨著泥沙沉積高度增加,隧道突水突泥經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng);在相同條件下,充填介質(zhì)顆粒越大,隧道首次突水突泥孕災(zāi)時(shí)間越長(zhǎng),更易發(fā)生間歇型突水突泥。(5)針對(duì)貴南高鐵朝陽(yáng)隧道PDK1 70+67]里程間歇型突水突泥災(zāi)害案例,系統(tǒng)分析了隧道間歇型突水突泥致災(zāi)過(guò)程及充填介質(zhì)特征。研究了充填介質(zhì)的顆粒級(jí)配特征,得到隧道首次突水突泥破壞模式屬于滲透失穩(wěn)型。研究了充填介質(zhì)顆粒的磨圓度和礦物成分特征,結(jié)合突水突泥特性與隧址區(qū)水文地質(zhì)特征,確定了突水突泥的地下水來(lái)源,即揭露溶洞與地下河存在水力聯(lián)系。從地層巖性、地形地貌、巖層傾角、地表降雨、地下水來(lái)源揭示了溶洞發(fā)育與突水突泥成因,為隧道施工提供有益的參考和借鑒。抗突評(píng)判結(jié)果顯示朝陽(yáng)隧道PDK170+671里程發(fā)生滯后破壞,與工程實(shí)際相吻合。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

逡逑如圖２．３所示，在隧道突水突泥在災(zāi)害中特大型（（２＞邋１0邋000邋ｍ３／ｄ）、大型（１逡逑０００＜％１邋００００邋ｍ３／ｄ）、中型（１00＜０引邋０００邋ｍ３／ｄ）和小型（％丨００邋ｍ３／ｄ）涌突水分逡逑別占３９％、２６％、５％和３０％，需要特別強(qiáng)調(diào)的是巖溶類和斷層類致災(zāi)系統(tǒng)導(dǎo)致逡逑了約８５％的特大型涌突水災(zāi)害，具有占比大和致災(zāi)性強(qiáng)的特點(diǎn)。逡逑２５％邋ｐ逡逑目邐＿巖溶纏Ｚ２斷層其他成因類逡逑２０％邋－W逡逑五１５％邋－W逡逑１０邋１。％邋－W 同W 邋ｎ逡逑■１１邋ｉｌｌ逡逑－１１１邋１１１邐１１１逡逑０％ｌｉｌWWｉｉ邐W Ｉｋ逡逑特大型突涌水邋大型突涌水邐中型突涌水邐小型突涌水逡逑突涌水類型逡逑圖２．３隧道突水突泥致災(zāi)系統(tǒng)分類統(tǒng)計(jì)表逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ｍｕｄ邋ｉｎｒｕｓｈ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｉｎ邋ｔｕｎｎｅｌ逡逑２．４邋隧道突水突泥致災(zāi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征與地質(zhì)判識(shí)及典型案例分析逡逑２．４．１巖溶類致災(zāi)系統(tǒng)逡逑巖溶水是賦存并運(yùn)移于可溶性巖層中的地下水，常導(dǎo)致隧道巖溶突水突泥逡逑災(zāi)害，給隧道工程的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重隱患，，巖溶類致災(zāi)系統(tǒng)突水突泥逡逑逐漸成為制約巖溶區(qū)隧道工程發(fā)展的主要地質(zhì)災(zāi)害，在施工過(guò)程中必須提高警逡逑惕并加以防范。受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、巖層產(chǎn)狀等眾多因素的控逡逑制［３９，６８－７２］，巖溶發(fā)育復(fù)雜多變、大小不定、形態(tài)各異。巖溶類致災(zāi)系統(tǒng)突水突逡逑泥案例統(tǒng)計(jì)如表２．２所示。根據(jù)巖溶發(fā)育形態(tài)和規(guī)模不同，巖溶類致災(zāi)系統(tǒng)可逡逑分為３種型式
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U456.3


本文編號(hào)：2656124