高水压隧道扰动突涌水灾害机理及预测方法研究

The drilling blasting in tunnel excavation process resulted in the disturbance and damage of surrounding rock, so the disasters of water inrush and mud burst frequently happened. The project will synthetically utilize the ultra-red radiation, ultrasonic and acoustic emission technique, design the dynamic-static combination loading test system with high seepage pressure, and will carry out the seepage disability tests for Limestone with conditions of dynamic-static combination loading and high hydraulic pressure. And study the space-time evolution regular of ultra-red radiation, ultrasonic and acoustic emission in the loading process, in order to reveal the relation between rock permeability, seepage disability and the information of ultra-red radiation, ultrasonic and acoustic emission. Based on the relation, the monitoring method of making each other real for the abnormal precursors respectively from ultra-red radiation, ultrasonic and acoustic emission will be proposed. Based on the test results and rock disturbance seepage damage theory, the study will construct the forecast model of water inrush disaster considering the influence of dynamic-static combination loading and high seepage pressure, elucidate the disaster mechanism of tunnel with stress disturbance, and propose the forecast method of water inrush disaster with high hydraulic pressure. The research results will provide scientific theory basis for monitoring, prevention and cure of tunnel disasters of water inrush and mud burst.

隧道爆破开挖造成围岩扰动损伤，在高水压环境下突涌水灾害频发。本项目综合利用红外辐射、超声波和声发射技术，设计可实现高水压条件下岩石动静组合加载试验系统，进行典型灰岩在动静组合荷载和高水压条件下的渗流失稳试验，研究高水压和动静组合荷载作用下岩石渗流失稳破坏过程中红外辐射、声发射和声波特性的时空演化规律，分析岩石失稳破坏与岩石渗透特性以及岩石红外辐射、声发射和声波特性间的对应关系，揭示岩石渗流失稳声光特性前兆异常机制，提出基于红外辐射、声波及声发射异常前兆特征的隧道灾害监测方法；基于试验和扰动损伤岩石渗流失稳理论研究，构建考虑高水压和动静组合荷载影响的隧道突涌水灾害预测模型，阐明隧道扰动突涌水灾害机理，提出高水压隧道突涌水灾害预测、预报方法，为隧道突涌水灾害监测及防治提供科学的理论依据。

作为天然矿物集合体，岩体结构的特殊性和复杂性直到20世纪60年代才被重视，至此，岩体的不连续性和各向异性在岩土工程领域也被逐渐研究。由于成岩作用，沉积岩物理力学特性不同于岩浆岩和变质岩，特别是沉积岩的裂隙性和节理性易导致水利、矿山工程岩体发生失稳破坏。因此，沉积岩体施工过程中所面临的岩体强度、变形、埋深地压以及软岩问题也逐渐凸显，这对岩土工程领域带来了新挑战。.对于富水沉积岩体，其结构实质上由矿岩物质和裂隙水构成的固液两相材料，自由水或渗透水压对岩石（体）结构具有润滑、溶蚀和水楔作用，水岩作用会通过增加溶蚀深度和水岩接触面积而改变岩体的韧性和延性，进而弱化岩体结构强度，这对富水隧道的开挖有潜在危害。另外，隧道爆破开挖易造成围岩扰动损伤，在高水压环境下的突涌水灾害频繁发生。可见，从沉积岩体的地质学和力学特征方面研究其应力应变、强度、稳定性，以及破坏破碎特征对于指导实际岩体施工意义重大。. 本项目综合利用超声波、声发射、电镜扫描、压汞以及红外辐射技术，设计了可实现高水压条件下的岩石动静组合加载试验系统，进行了灰岩在动静组合荷载和高渗透水压条件下的压缩破坏试验。主要研究了（1）不同渗透水压下的灰岩声发射以及渗透特性的时空演化规律；（2）渗透压作用下的灰岩单轴压缩损伤模型研究；（3）水-岩耦合作用下的灰岩孔隙结构宏观、细观和微观特性研究；（4）渗透-应力耦合作用下的灰岩压缩破坏及声发射特性分析；（5）不同孔隙水压下的灰岩分级循环加载过程中的声发射特性研究；（6）渗透作用下岩石破坏过程中的热成像特性。.通过不同渗透水压和动静组合荷载作用下灰岩渗流失稳破坏试验揭示了灰岩的体应变特性、力学参数、失稳破坏和渗透特性。声发射和红外辐射特性揭示了灰岩渗流失稳的声光前兆异常机制。基于循环加载试验和损伤力学理论，构建了考虑渗透水压的灰岩损伤本构模型，提出了高水压隧道发生水灾害的预测方法。