岩溶隧道突水灾变分析及防治技术研究

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受到岩溶地区复杂地质构造的影响,在隧道施工时,往往会发生突水涌泥等工程事故,这些事故的发生严重制约着岩溶地区隧道的安全快速施工。因此,有必要对溶洞的发育特征和规律进行研究,找到不同突水模式下岩溶隧道围岩稳定性的评估方法,建立一套有效、经济、合理的隧道穿越岩溶地区综合防治方案,解决隧道穿越岩溶时突水涌泥灾害的防治问题,对岩溶地区隧道施工具有重要技术价值。
  本文以红崖山隧道为依托工程,通过对宜万铁路、渝怀线修建过程中发生的突水事故进行查阅分析,再结合理论分析、数值模拟等方法,分析了不同因素对岩溶隧道围岩稳定性的影响规律,建立了不同突水模式的防突层安全厚度预测模型。最后,对现有岩溶隧道超前地质预报和处治技术进行了归纳总结。
  本文主要成果有:
  (1)通过对岩溶隧道突水涌泥资料的查阅,揭示了岩溶隧道突水过程分为突水能量储存、突水通道形成和突水能量爆发三个阶段,这些过程受岩溶地区地质因素、水文因素和隧道开挖工况的影响。
  (2)通过对岩溶隧道突水灾害机理的分析研究,提出了隧道与溶腔之间岩层的稳定对突水发生与否发挥着关键作用,把防突层简化为弹性梁、板力学模型;因为突水发生时破坏岩土体的特征不同,将岩溶隧道突水划分为岩盘型富水溶腔突水和岩溶管道突水两种模式。
  (3)对于岩盘型溶洞突水模式,采用COMSOL Multiphysics建立流固耦合数值模型,分析了在应力-渗流作用下隧道周围围岩的水压力分布规律、应力分布规律、位移变化规律,并根据计算结果,揭示了不同水压、大小、围岩级别及位置的含水构造对隧道围岩稳定性的影响规律,提出了不同工况下岩盘型岩溶隧道施工安全临界距离。
  (4)对于管道型岩溶突水模式,根据管道内填充物质的透水能力不同分析了其破坏机理。通过数值模拟,揭示了含水层水压、填充物性质、管道尺寸对突水破坏的影响规律,并结合管涌发生时的临界流速建立了管道型岩溶突水评估方法。
  (5)结合相关文献资料,对岩溶隧道中常用的超前地质预报技术进行了归纳,其中重点探讨了在实习中使用的瑞典地质雷达的操作步骤和结果分析,并总结了岩溶隧道突水防治的基本原则、处理措施。
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