裂隙性隧道圍巖滯后性破裂及涌水突泥機理研究

1.項目背景：隧道修建中常遇到涌水突泥災(zāi)害，目前對非揭穿型裂隙圍巖滯后性破裂及其引起的涌水突泥機理和形成條件未給予足夠重視，導(dǎo)致許多隧道出現(xiàn)開挖掌子面后方發(fā)生較大規(guī)模的涌水突泥工程事故，造成了眾多人員傷亡和巨大財產(chǎn)損失。為此,申請面上基金項目“裂隙性隧道圍巖滯后性破裂及涌水突泥機理研究”，開展相關(guān)問題的研究并得到基金委批準(zhǔn)。 2.主要研究內(nèi)容：（1）依托隧道區(qū)天然地應(yīng)力及圍巖應(yīng)力分布和隧道圍巖巖石力學(xué)特性及巖體結(jié)構(gòu)；（2）隧道區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及水文地質(zhì)特征；（3）隧道圍巖巖體力學(xué)特性與巖體水力學(xué)結(jié)構(gòu)模型；（4）圍巖結(jié)構(gòu)性時效變形和破裂與涌水突泥機制。 3.重要成果：（1）理論與方法成果：1）小曲率或直邊隧道圍巖變形破裂逐漸向板裂化發(fā)展，形成的定向裂隙孔隙率逐漸變大；2）地下泥水逐漸向變大的定向裂隙聚集形成地下泥水壓力并逐漸增大；3)板裂化圍巖在軸向圍巖應(yīng)力和橫向地下泥水壓力作用下產(chǎn)生時效彎曲變形破裂，達(dá)到極限狀態(tài)時突發(fā)脆斷，泥水突然噴涌而出形成災(zāi)害；4)在板裂化圍巖時效彎曲變形過程中如有爆破等動力觸發(fā)，板裂化圍巖將會提前突然破裂引起涌水突泥；5）建立了圍巖板裂概化模型，推導(dǎo)了變長度、厚度及地下泥水壓力下的兩端固定，軸向圍巖壓應(yīng)力和橫向地下泥水壓力作用下的板彎曲時效變形破裂理論公式，建立了突發(fā)破裂判據(jù)，并得到原樣小模型、相似材料模型及數(shù)值模型分析結(jié)果初步驗證。（2）論文成果：發(fā)表論文46篇，其中期刊論文45篇，會議論文1篇；檢索論文SCI論文3篇，EI論文10篇，北大中文核心期刊論文37篇；另有2篇錄用待刊。（3）專利成果：發(fā)明專利2項，新型專利4項。（4）出站博士后1名;畢業(yè)博士2名，即將畢業(yè)3名；畢業(yè)碩士17名，即將畢業(yè)2名。 4.關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其科學(xué)意義：板裂化圍巖破裂深度是隧道小曲率或直邊墻長度的0.4-0.5倍，這對裂隙性圍巖變形破裂及涌水突泥機理認(rèn)識及引起的工程災(zāi)害評價防治具有科學(xué)意義。 2100433B

隧道開挖成洞一段時間之后，圍巖出現(xiàn)突發(fā)式滯后性破裂而引起圍巖涌水突泥的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成過巨大的傷亡和損失。目前對隧道圍巖揭穿性涌水突泥現(xiàn)象研究較多，對圍巖特別是裂隙性圍巖滯后性破裂引發(fā)涌水突泥現(xiàn)象研究很少。本項目擬在廣泛收集水利水電、交通和礦業(yè)等領(lǐng)域研究資料基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場調(diào)研與測試、水文與工程地質(zhì)分析、巖石力學(xué)試驗、物理及數(shù)值模擬和巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析等方法，以典型隧道工程及其監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，就高地應(yīng)力、高地下水壓力和爆破擾動作用下，裂隙性隧道圍巖滯后性破裂和涌水突泥機理進行研究; 探索高地應(yīng)力、高地下水壓力和爆破擾動作用下，典型隧道圍巖巖性及結(jié)構(gòu)、隧道形態(tài)及尺寸與裂隙性圍巖滯后性破裂特征之間的關(guān)系，揭示裂隙性圍巖滯后性破裂和涌水突泥機理，為建立基于高地應(yīng)力、高地下水壓力和爆破擾動作用下，裂隙性隧道圍巖滯后性破裂判據(jù)和涌水突泥危險性評價預(yù)測理論和方法奠定基礎(chǔ)。

《富水邊坡注漿帷幕破裂機理及穩(wěn)定性研究》以司家營研山鐵礦復(fù)雜條件邊坡帷幕注漿為工程背景，基于聲發(fā)射三維定位技術(shù)研究了帷幕體試件在不同應(yīng)力條件下裂隙的空間分布與演化特征；采用分形幾何理論分析了裂隙空間分維演化特征，揭示了帷幕體破裂演化非線性機理：采用數(shù)值模擬方法研究了地應(yīng)力與滲流應(yīng)力耦合作用下的帷幕及邊坡穩(wěn)定性。提出了邊坡安全與帷幕注漿參數(shù)；開展了帷幕注漿堵水技術(shù)研究并分析了現(xiàn)場實施效果。

《富水邊坡注漿帷幕破裂機理及穩(wěn)定性研究》適合從事金屬礦露天開采及帷幕注漿研究的科研人員、工程技術(shù)人員使用．也可供高等院校有關(guān)師生參考。

施工過程中突涌水事故和運營期間排水量的控制是鉆爆法修建海底隧道的核心問題，而且在不良地質(zhì)段的表現(xiàn)尤為突出。為此本課題從水環(huán)境下的隧道圍巖穩(wěn)定性出發(fā)，研究受隧道施工影響的圍巖變形機理及其傳播規(guī)律，揭示隧道圍巖及上覆地層的分區(qū)破壞特征；針對不同的地層條件和隧道圍巖變形特點，建立圍巖失穩(wěn)機理力學(xué)模型，給出相應(yīng)的破壞判據(jù)；基于隧道圍巖變形及破壞特點，提出海底隧道施工過程中的突水模式，建立突水危險性與圍巖變形的動態(tài)關(guān)系，揭示出典型災(zāi)害的演化機理，由此形成安全事故與災(zāi)害預(yù)測方法；從海底隧道工程安全的本質(zhì)特征出發(fā)，提出了圍巖穩(wěn)定性的評價指標(biāo)、控制標(biāo)準(zhǔn)以及對地層加固的穩(wěn)定性要求，由此確定出隧道圍巖加固圈的厚度和密實度等指標(biāo)要求；針對加固體的變形特性和突水機制，建立起動態(tài)調(diào)控和精細(xì)化過程控制系統(tǒng)理論；鑒于海底隧道圍巖穩(wěn)定性的特殊要求，在圍巖與初期支護結(jié)構(gòu)耦合作用分析的基礎(chǔ)上，建立海底隧道滲流量預(yù)測模型。

從水環(huán)境下隧道圍巖的穩(wěn)定性出發(fā)，以圍巖的變形為核心研究受隧道施工影響的圍巖變形機理及其傳播規(guī)律，建立圍巖失穩(wěn)機理力學(xué)模型同時給出破壞判據(jù)，同時對圍巖的穩(wěn)定性進行預(yù)測與評價；基于隧道圍巖的變形及破壞特征，提出3種海底隧道施工下典型的突水模式，建立突水危險性與圍巖變形的動態(tài)關(guān)系，揭示出典型災(zāi)害的演化機理，形成3種災(zāi)害預(yù)測方法；從海底隧道的安全施工出發(fā)，提出圍巖穩(wěn)定性的評價指標(biāo)及相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)，由此確定隧道圍巖加固圈的合理厚度及合理的頂板厚度等施工指標(biāo)，針對加固體的變形特點及突水機理，建立動態(tài)調(diào)控和精細(xì)化過程控制系統(tǒng)理論；鑒于海底隧道圍巖穩(wěn)定性的特殊要求，基于復(fù)合式襯砌的理念，在圍巖與初期支護結(jié)構(gòu)耦合作用分析的基礎(chǔ)上，建立海底隧道滲流量的預(yù)測模型。 2100433B