海底隧道开挖围岩动-静-渗耦合响应特性和诱发海水突出的机理研究

During the dynamical excavation procedure of subsea tunnel, water inrush is easily to induced in the surrounding rock with the coupled effect of dynamical-static-seepage (Cycle dynamical impact-geostress-seepage). The cycle dynamical character of surrounding rock in subsea tunnel in the high seepage is the key scientific problem. the program will take the subsea tunnel of Jiaozhou gulf and Bohai gulf, through the test, theory, and numerical simulation to research the dynamical-static-seepage coupling character, in order to reveal the mechanism of water inrush of upper layer. Firstly, the improved SHPB test will be taken to reveal the dynamical-static-seepage of rock specimen from the subsea tunnel. Second, the wave impedance will be taken to define the damage variable, to reveal the damage-seepage coupling character and establish the damage-seepage model. Then, the model will be embedded into the XFEM or NMM, to simulate the damage involution and instability of surrounding rocks in subsea tunnel. The model test will be carried on to reveal the changing law of surrounding rocks, to recognize the key layer and predict the water inrush time. With the analysis of mechanism and hydraulic of rock layer, establish the model of key rock layer which prevent the water inrush and define the least safe thickness. The research is of great importance to the proventing of disaster in subsea tunnel.

海底隧道开挖过程中，围岩承受动-静-渗（循环冲击动力-地应力-海水高渗透压）耦合作用，极易导致覆盖岩层失稳突水的灾害。拟依托胶州湾和渤海湾海底隧道工程，综合采用试验、理论和数值模拟的方法对围岩的动-静-渗耦合响应特性开展研究，揭示上覆深厚海水下动力开挖导致覆盖岩层损伤、失稳乃至突水的机理。采用改进的SHPB试验探察岩石在围压-渗流耦合下的循环冲击响应特性，通过选取波阻抗定义损伤变量，描述损伤-渗流耦合过程，构建海底隧道围岩的动力损伤累积-渗流模型。将模型导入XFEM/NMM等非连续数值软件，完成对不同因素下覆盖岩层损伤演化和失稳的全程模拟，并识别其关键影响因素；开展模型试验监测循环冲击导致覆盖层失稳突水的过程，阐释参数变化规律，判定关键层并预估突水阈值；结合对岩层力学-水力学特性的分析，构建预防海水突出的关键岩层模型。综上，建立最小安全覆盖层厚度的确定方法，研究对预防海底隧道灾害意义重大。

海底隧道在跨海交通中体现出诸多优势，近年来得到繁荣发展，创造着巨大的社会效益、经济效益和生态效益。然而海底隧道开挖过程中，围岩承受动-静-渗（循环冲击动力-地应力-海水高渗透压）耦合作用，极易导致覆盖岩层失稳突水的灾害，是制约海底隧道发展的关键性难题。本项目依托渤海湾海底隧道工程，综合采用了理论分析、数值模拟和模型试验的方法，对海底隧道围岩的动-静-渗耦合响应特性开展了研究。研究针对深海环境下两类介质（岩体、土体）的典型灾害，凝练极端环境下岩土体流固耦合机理的共性关键科学问题，围绕“深埋高渗压围岩流-固耦合突涌水”、“超大断面海底隧道快速施工优化与围岩变形控制技术”和“海底隧道注浆防护突涌水效果研究”等既独具特色又共享主题的方面展开研究，取得系统的创新性学术成果，形成了机理、技术和方法的有机统一。1.提出了可精准还原极端渗透压-应力耦合环境的深部模型试验方法，揭示高渗压诱发围岩破坏的演化模式及失效前兆规律；监测循环冲击导致海底隧道围岩疲劳损伤及诱发海水突出的演化过程并识别其特征变形规律。结合理论研究建立了高渗压围岩动力扰动裂纹模型和裂纹扩展的能量表征方法，揭示了破坏致灾机理和演化过程，据此提出了高渗压围岩注浆加固方法。2.揭示了超载情况下超大断面隧道的失稳破坏机制，探究了隧道在施工过程中围岩的应力变化规律和变形演化机制，提出了适用于依托项目隧道工程的合理的开挖功法、爆破技术和初期支护方案，为工程的实际施工给予理论指导和技术支持。3.研究了海底隧道突涌水灾害防治中，注浆防护的必要性和影响防护效果的重要因素。.研究成果对渤海湾海底隧道的修建提供重要的技术指导，将产生巨大的经济效益，具有重要的现实意义。