本文以深埋隧洞穿越风化花岗岩断层带涌水突泥机理为研究主题,以福建省龙津溪引水隧洞工程为研究对象,采用理论分析、现场调查、室内物理力学试验、声波测试与数值模拟相结合的综合性研究方法,分析了深埋风化花岗岩断层带的物理力学性质、水理化特性以及隧洞涌水突泥的影响因素,对深埋隧洞穿越断层带时各影响因素对围岩内孔隙水压力场、渗流场、应力应变的影响进行了研究,并对断层带内隧洞围岩塌落及裂纹动态演化规律进行了分析。结合项目实际特点,对深埋隧洞穿越风化花岗岩断层带时涌水突泥的孕育机理、各种涌水突泥致灾模式机理进行了分析。主要内容与成果如下:(1)经过现场地质调绘,分析区域地质资料,并结合勘察报告,查明了研究区工程地质和水文地质条件,查明了沿线地形地貌、地质构造、岩层分布、地下水类型、断层分布特点、岩石风化特征、围岩初步分类等。研究区的张性断层花岗岩断层带极易形成数百米以上的风化深槽,是良好的富水构造,为隧洞涌水突泥提供了大量的泥质来源。(2)通过对断层构造特点和花岗岩风化特点、水理化特点的分析,采取物性分析及微观结构试验(X-射线衍射矿物分析、环境扫描电子显微镜试验)、物理性质试验(含水率、密度、孔隙比/空隙率、界限含水率)、水理试验(吸水率、软化系数)、力学试验(抗剪强度及压缩性指标、各种含水状态的单轴压缩试验)、岩体声波测试(波速比、完整性指数)等试验方法获取了断层带内花岗岩风化残留物(残积土)及断层两侧强风化-微风化花岗岩的物质成分、微观结构及形貌特征、基本物理力学特性及破坏特征,对测试数据进行了统计与分析,并与工程所在的厦(门)漳(州)地区的风化花岗岩物理力学特性进行了详细的对比。分析结果表明,强风化-微风化花岗岩的破坏模式符合莫尔-库伦理论,深埋花岗岩断层带内风化残留物的物理力学特性与地表风化壳中的残积土性质类似。深埋断层带内的花岗岩残积土与地表花岗岩残积土一样富含黏土矿物,多属于高液限土,其水理化与软化机理与地表花岗岩残积土类似,但是其不含游离氧化铁,其崩解模式与地表花岗岩残积土有明显区别。颗粒级配特征表明,深埋花岗岩断层带内残积土颗粒成分比较复杂,在渗流作用下存在多种破坏的可能。试验成果为分析深埋隧洞穿越风化花岗岩断层带时的围岩变形、流固耦合、渗流发展研究提供了基础,为有限差分、离散元等数值模拟计算提供了基本参数,对揭示这一过程中隧洞涌水突泥的机理提供了依据。(3)基于FLAC3D流固耦合方法,在分析各种因素对于隧洞涌水突泥影响的基础上,建立富水风化花岗岩断层带涌水突泥的数值分析模型并对各种工况进行了研究。分析表明,孔隙水压力越高、围岩类别越差,涌水突泥风险越大;而断层倾角对涌水突泥的影响比较复杂,倾角越缓则影响范围越大,影响时间越早,但在倾角不断增大的过程中,其对涌水突泥的影响则表现出明显的空间效应;组合断层的分析表明,当交叉点下伏于隧洞时更容易引发涌水突泥事故。(4)基于PFC2D颗粒流离散元方法,建立深厚断层带内隧洞模型,模拟隧洞开挖、大变形以及洞内出渣过程,研究隧洞开挖过程中洞周及拱顶的塌落变化与裂纹动态开展规律,观测塌落拱与聚水空腔的形成过程。研究表明,深埋隧洞开挖后,花岗岩断层带内松散围岩塌落变形及裂纹扩展迅速,不提前加固的情况下极易引发塌方及突泥涌水;并且在初次大规模塌方涌水突泥处置后,如果加固范围及加固强度有限,拱顶聚水空腔动态演化及地下水补给平衡后,由于孔隙水压力突变,拱顶加载后失稳将会产生二次涌水突泥。(5)通过工程实例,结合理论分析及数值模拟结果,对深埋隧洞穿越风化花岗岩断层带时涌水突泥的孕育机理、各种涌水突泥致灾模式机理进行了分析。将工程实例中的涌水突泥事故分为四种致灾破坏模式:掌子面防突层破坏涌水突泥模式、拱顶空腔聚水垮塌涌水突泥模式、渗透变形破坏涌水突泥模式、有压管流破坏涌水突泥模式,并分析了各自的涌水突泥机理及防治要点。