随着国家战略及经济的快速发展,对交通运输的要求越来越高,越来越多的公路、铁路得以规划和修建。我国是一个多山国家,尤其是在西南部山区,高原起伏,山脉连绵,为了保证道路最佳线形,将修建更多的公路和铁路隧道。当隧道向更深、更大、更长方向发展的同时,在隧道修建过程中事故频发,其中尤以涌突水最为普遍。隧道涌突水,容易造成隧道施工中断、停止以致延误工期,提高工程造价,甚至在隧道支护或者运营之后引起隧道的破坏,造成更大的生命财产损失。本文以在建中国第二长公路隧道-米仓山隧道为工程依托。在分析米仓山隧址区工程地质条件和水文地质特征的基础上,讨论隧址区围岩裂隙特征、裂隙水渗流特征、渗透系数空间分布特征、隧址区应力场分布特征和洞轴线应力场特征。采用Geo-studio中的SEEP/W模块对隧址区地下水头和地下水渗流特征进行模拟分析,采用FLAC3D在白云岩和闪长岩中进行流-固耦合分析,在此基础上,分析米仓山隧道不同岩性段流-固耦合特征。根据米仓山隧道典型涌突水现象,总结隧道涌突水特征,结合涌突水案例建立地质概化模型,分析米仓山隧道涌突水机制。主要研究成果如下:(1)根据围岩特征,将米仓山隧址区围岩结构分为散体结构、碎裂结构、层状裂隙结构和块状岩体;根据地下水渗流作用,将米仓山隧址区围岩裂隙分为导水裂隙,不导水裂隙和贮水裂隙;隧址区岩体渗透系数随埋深增大而减小,在隧道洞轴线方向渗透系数差异很大。(2)采用Geo-studio中的SEEP/W模块对隧址区的地下水头和地下水渗流特征进行模拟,可以发现:隧址区地下水头随地形起伏,整体地下水头较高(>800m)。在可溶岩段,地下水水力梯度较大,地下水渗流速度较快,在非可溶岩段,地下水水力梯度较小,地下水渗流速度较慢。但在可溶岩与非可溶岩接触带,受地质构造作用,地下水渗流速度明显增大。(3)隧址区应力场是由占主导作用的水平向构造应力场与自重应力场叠加形成。三项主应力大小基本遵循S_H>S_V>S_h关系,最大主应力值与埋深基本表现为正相关性。隧道轴线位置整体处于高地应力水平,最大主应力值约为15~32MPa,受埋深控制并受断层褶皱等地质构造影响,地应力值在向斜轴部区域出现增大,在断层破碎带处有所减小。(4)采用FLAC3D在白云岩和闪长岩中进行6个工况下的流-固耦合数值计算,可以发现:孔隙水压力受围岩渗透系数影响很小,而与水头高度和围岩埋深呈正比;由于开挖造成渗流场的改变,在隧道四周产生水压力差,最终形成一个类似于马蹄形渗水漏斗的形状;隧道开挖后,应力场进行重新分布,SZZ方向应力在边墙处发生应力集中,SXX方向应力在拱顶和拱底处发生应力集中;有效应力随水头高度增加而降低,渗流场作用能显著减低围岩有效应力。在考虑渗流效应时,孔隙水压力会引起围岩有效应力变化,而围岩有效应力的变化会使围岩孔隙率降低,从而导致比不考虑渗流效应时产生更大的拱顶沉降。(5)通过对涌水部位工程地质条件和水文地质特征的分析,结合涌突水现象,分析认为,K43+190和XZK0+220处涌突水模式为水力劈裂型,K41+720处涌突水模式为掌子面失稳型。在涌突水过程中,水力劈裂型涌突水具有较明显的发生前兆和发生过程,掌子面失稳型涌突水没有明显的发生前兆,突水具有突变性。(6)将水力劈裂型涌突水划分为拉-剪复合型破坏模式和压剪复合型破坏模式,考虑接近实际情况的张开型裂纹和考虑孔隙水压力的裂纹应力强度因子,建立断裂判据,推导裂隙在拉-剪和压-剪破坏模式下的临界水压力公式,结合伯努利能量方程,进一步推导出不同模式下水力劈裂型涌水瞬时最大流速,最后,针对两种破坏模式,分析认为在自然营力作用下,一般发生压-剪破坏模式;将掌子面防突层厚度分为开挖扰动区和安全区两部分,对于安全区厚度,考虑流-固耦合长期作用引起的水致弱化效应,引入水致弱化函数,根据系统功能关系,结合突变理论,推导出掌子面安全区厚度公式,进而得到掌子面防突层厚度公式。