岩溶隧道上覆大型水体突出前兆及其灾害突变机理研究

突水机理与灾害控制是目前岩溶隧道施工中的重大理论与技术难题，本项目以岩溶地区含水构造赋存规律研究为基础，以大量工程实践为依托，应用理论分析、物理模拟和数值分析等手段，系统研究岩溶隧道上覆特大体量岩溶水体突出的前兆信息及其灾害突变机理。通过岩溶地区含水构造赋存条件和水源补给规律的研究，辨识其临突地质前兆信息，提出突水的发生条件与影响因素；通过流固耦合模型试验系统，开展隧道施工诱发特大体量水体突出的模型试验，研究突水前后水体附近围岩力场和地球物理场的变化规律及其临突特征；研究各场信息的相关性及其对突水预测的有效性，分析突水破裂通道形成过程中围岩应力、位移和渗流等多元信息的演化规律，建立突水前兆多元信息识别模型；研究特大体量含水构造失稳的非线性突变特征，建立岩溶水体突出的尖点突变模型，给出突水判据和最小安全厚度，提出特大体量含水构造的稳定控制方法，研究成果对于岩溶隧道灾害预测与控制具有重要意义。

本项目针对岩溶隧道突水机理与防治基础理论问题，重点围绕岩溶隧道突水发生条件、前兆信息规律及突出的灾变机理与控制方法三方面内容，采用理论分析、物理模拟和数值仿真等综合研究方法，开展岩溶隧道上覆大型水体突出前兆及其灾害突变机理的研究，历经三年完成了研究任务，取得了如下标志性成果：. 1、提出了岩溶水体突出的发生条件与影响因素：基于我国近50年隧道突水案例的系统调研和归类分析，开展了岩溶地区含水构造赋存条件和赋存规律研究，辨识大型岩溶水体临突地质前兆信息，将突水影响因素划分为工程地质条件和人为施工扰动两类，从含水构造能量储存、岩溶水动力性能与能量释放和含水构造系统的稳定性三个方面，提出了大型岩溶水体突出的发生条件。. 2、揭示了突水前兆多元信息演化规律及其临突特征：通过自主研制的新型流固耦合模型试验系统的研制，开展了岩溶隧道上覆大型水体突出的大型三维相似模型试验，结合案例分析和理论数值分析，揭示了突水灾变演化过程中岩溶水体及其附近围岩应力场、位移场、渗流场以及电场和声发射信号的变化规律及其临突特征。在隔水层破断突水前，围岩应力变化持续增长后发生回跌，但已濒临突水。围岩位移变化持续增长后发生跳跃，在跳跃前出现孕育突水前兆的稳定突升段。围岩渗透压力变化持续降低后发生急剧跌落，在突水前很长时间里出现孕育突水前兆的异常波动段。围岩视电阻率和声发射能量也在突水前产生明显的突升和激增现象，尤其是视电阻率突升段的增长点出现在突水前较长的时间段。通过对多场信息变化规律的内在联系及其对突水预测的有效性分析，发现隔水层的渗透压力、视电阻率及位移变化信息在突水前具有明显的前兆特征，是突水灾害预警和监测的重要前兆信息源。. 3、建立了岩溶水体突出的力学模型及其判据与最小岩体防突安全厚度分析方法：针对岩溶隧道上覆大型水体突出，采用突变理论建立了隔水岩层破断突水的尖点突变模型，利用系统势函数分叉集的突跳现象，提出了岩溶水体突出的力学判据与最小安全厚度分析方法。基于系统主控参数对突变路径的控制分析，提出特大体量含水构造的稳定性控制方法，并应用于岩溶隧道突水的预测和治理工程中。. 本项目获省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项，获发明专利15项，软件著作权6项，发表文章29篇，其中SCI收录2篇，EI收录20篇，培养研究生6名。项目成果应用于湖北三峡翻坝高速公路等多条隧道突水灾害控制中。