文摘

隧道突水是最常见的一种地质灾害在岩溶地层在中国。针对岩体具有quasi-masonry结构之间的防水地层岩溶空腔与高压水和隧道和理论分析的缺点,传统的数值模拟和物理模型试验的描述和反映这种特殊的岩体结构,离散单元法考虑流固耦合效应和岩体的结构特征是用来研究灾难的突水过程和灾难的进化特征信息渗透压力和位移不同岩溶水压力的条件下,隧道深度、侧压力系数。研究结果表明:(1)渗透压力和位移随着小型赛车水压力的增加而增加。渗流压力演示了一个减少国家在防水地层从上到下,和到达时间稳定渗流压力的值显示时间的效果。(2)隧道深度越大,断裂的聚结和分布范围越大,越有可能在短时间内发生的突水。防水地层的稳定性降低的增长对整个隧道深度。(3)侧压力系数的增加可以抑制裂缝的发展和加强稳定性。断裂的状态明显受侧压系数的影响。数值模拟的结果与模型试验所获得的一致。研究和分析基于能量是一个有前途的思路为研究灾难的过程在岩溶隧道突水。

1。介绍

自21世纪以来,与西方的快速发展中国国民经济发展战略,隧道施工的重点逐渐转移到西部山区和岩溶区。然而,复杂的岩溶地质结构,尤其是各种规模的隐伏岩溶空洞和地下河流,使隧道的建设面临着严重的威胁的突水在上述地区。岩溶空腔与高水压力和高隐蔽在隧道,诱导突然性和不可预知的突水灾害,比岩溶结构暴露于危险的隧道开挖(1]。在缺乏presupport prereinforcement,如果防水地层隧道和隐藏腔高水压力无法承受岩溶水压力的共同作用,开挖扰动,骨折将产生,传播,然后彼此合并,最终导致突水灾害和严重的经济损失和人员伤亡2- - - - - -7]。在施工过程中,隧道Malujing Yiwan铁路遇到的一系列大规模岩溶空洞,溶解的裂缝,和灰岩坑,10多个大型水和泥浆侵入灾害接连发生。其中,两个重大灾害发生在1月21日,2006年4月11日,2008年,导致15人死亡和延迟两年多的8]。Qiyueshan隧道遇到187大规模岩溶管道、岩溶蛀牙,断裂带与高压水和其他不利的地质。因此,突水灾害发生的18倍,累计排水量达到的价值 ⁶米³,导致大幅增加建筑成本(9,10]。研究灾难的突水和进化过程伴随着灾难信息的特点具有重要意义在岩溶隧道控制和防止水侵入。

很多学者做了很多研究灾难突水机理和灾难信息特征通过理论分析、数值模拟和物理模型试验。在理论研究方面,徐et al。11)提出了一个semianalytical的解决方案来确定最小安全厚度的防水抗突水的地层充填型岩溶空洞基于切片方法的原则。傅et al。12]导出的计算公式的最小安全厚度防止岩石支柱挖掘隧道时的崩溃在岩溶洞穴。郭et al。13)使用施瓦茨交替方法识别关键防水厚度的影响,分析了岩溶水的压力。鑫et al。14)建立了一个安全厚度之间的评价的属性识别模型隐伏岩溶洞穴和隧道基于属性数学理论。杨et al。15]研究了最小安全厚度的岩石塞并获得其解析表达式。领域的数值模拟,秦et al。16]分析了可发布的弹性应变能的分布规律和失败区在不同运用FLAC3D软件隐伏岩溶洞穴的宽度。山等。17)提出了一个全面的数值分析方法来确定安全厚度,并证明了其合理性和有效性测试。锅等。18]研究滞后突水的机理在隧道施工由于岩溶洞穴的距离通过数值模拟与承压水。李(19]分析了灾难性的突水过程防水卸货引起的地层损害强有力的渗透下RFPA流。对物理模型试验、梁等。20.]分析了进化规律的压力、位移和水压力的物理模型试验在隧道开挖突水。杨et al。21]研究了防水的灾难过程和失败模型层。锅等。22)进行了固液耦合模型试验滞后突水的岩溶隧道和研究灾害信息的进化过程在不同岩溶水的压力。

之前的研究和成就如上所述的防水地层的稳定性和灾难过程促进了在这个领域发展,为进一步研究提供了坚实的基础。然而,也有一些缺点关于理论分析和物理模型试验。理论分析方法只能用于评估防水的整体不稳定地层最后在某些简化和假设。在此同时,理论分析是困难的分析和描述突水灾害过程的高度非线性的特点。至于物理模型试验,存在一些缺点的费用,时间,采集的信息。数值模拟是一种有效和方便的工具模拟防水地层和突水灾害过程的一些独特的优势与理论分析方法和物理模型试验方法。防水层基本上是被视为多孔连续介质在上述使用数值模拟的研究,而忽略了防水地层断裂条件,错估的流固耦合效应。因此,对于反映真正的防水地层的结构特性,采用数值方法是非常必要的,可以考虑初始不连续(如图1)和准确地描述这些不连续的起始和传播考虑流固耦合(如图1)。

在石灰岩地层,断层等箱包跨关节相互交叉,把岩体成许多相对离散的块,称为quasi-masonry结构如图1。图1直观地显示了防水突水灾害过程的地层quasi-masonry结构。图的上半部分1说明了石灰岩岩溶地区的结构和空腔的空间关系与高压水和隧道。图的下半部分1是直觉上的草图表明突水灾害过程中隧道开挖后从岩溶空腔。显示在图1,这场灾难的macroresult突水过程开始,传播,初始不连续的聚结在隧道开挖扰动和岩溶水的压力。因此,防水地层的结构特点和水岩相互作用在岩体结构quasi-masonry灾难过程中发挥重要作用的突水和灾难的进化特征信息渗透压力和位移。新方法基于DEM(模拟)和虚构的联合技术采用真正防水的灾难过程模拟地层不同岩溶水压力的共同作用下,隧道深度,和侧压力系数23,24]。渗透压力和位移的进化特征分析在不同条件下,岩溶水压力的影响机制,深度、隧道和侧压力系数。意义重大的成就是预警和预防岩溶隧道突水。

2。数值模拟

2.1。模型生成

图2显示了该模拟数值模型用于分析突水的灾难性的演化过程中的隧道上方的水岩溶空腔与quasi-masonry石灰岩地层结构。这个模型以确保仿真效果和计算效率,是范围 ;three-centred圆形隧道截面高度为9.5米,跨度为8.5米,埋深500米采用模拟更真实隧道横截面和隧道深度。上面的隐伏岩溶空腔隧道水压力( )推广到椭圆的长轴20米和12米,短轴,可以识别和定位通过协同勘探方法集成地质标识、地球物理反演,钻探;和防水地层之间的空腔和隧道3 m在厚度。鉴于quasi-masonry结构在岩溶地层的特点,分为许多小的矩形块的箱包跨过关节。一块有界的上部和下部用品厂是一个灰岩层的厚度1 m,和层的数量是71。所以,根据模型的范围,隧道尺寸,和规模岩溶空腔,最初的数值模型生成的命令的帮助生成;然后,岩溶空腔中生成模型和岩溶空腔的影响一代重置。最后,完整的模型是由箱包十字交叉的关节Jset和裂纹,数值模型已经建立,如图2,可能类似于实际的石灰岩地层的结构特点。获得灾难信息渗透压力和位移防水地层不稳定过程,典型的9点测量n1 ~ 3、陶瓷~ 6,n7 ~ 9(如图2),分别设置在水平线HL1 HL2,和HL3 2 m的水平距离和垂直距离为1米之间的相邻点,分别位于三个交点的箱包的床上用品和十字接头容易和有效地反映了位移和渗流信息急剧变化点的灾难的过程。

2.2。材料本构模型和属性

模型的力学性能是由使用的机械参数块与块之间的关节。在这个数值模拟,岩石的材料块系统被认为是一个大量的变形microblocks ( ,Mohr-Coulomb塑性模型采用平衡计算准确性和简单的机械参数)的收购,通过接触绑定在一起。的 (联合模型残余),库仑残余强度,利用模型不连续的机械行为。在这个模型中,一个内部标志设置为每个不连续段超过当不连续的剪切强度。如果不连续是断裂的,不连续的摩擦角和不连续凝聚力将剩余价值。因此,块和不连续的microparameters需要输入;他们如表所示1基于先前的研究的作者(25)和表2(26),分别。

2.3。边界条件

完所有的块的切割(箱包关节)和力学性能模型的定义、边界和初始条件增加了数值模型,如图3。有关定义如下图3: 的应力值下的左、右边界的数值模型;模型的上覆岩层压力;侧压力系数;是岩体的体积密度;是模型的高度。根据隧道深度( ),上覆岩体的重量转换成垂直均布荷载( )应用模型的顶部边界。应力边界也对模型的左右侧压力系数( )。底部一侧被位移边界为界。岩溶水压力( )在岩溶空腔被看作是一个常数,垂直腔的边界。完全耦合的数值模拟与饱和流量和流-固耦合启动液压骨折和传播是按照以下顺序进行:应力平衡状态重置,隧道开挖,获得灾难信息,和停止的情况下组合。

2.4。计算方案

岩溶水压力、隧道深度和侧压力系数是影响稳定性的三个重要影响因素条件和灾难防水地层的过程。找出灾难的过程在岩溶隧道突水和灾难的进化特征信息渗透压力和位移不同岩溶水压力的条件下,隧道深度、侧压力系数,进行了一系列的数值模拟渗流压力、位移动力学和耗散能量的防水地层模拟和分析了基于上述建模方法在不同条件下的状况。表3显示了在这个研究影响因素及其计算方案。例1 ~ 3、4 ~ 6和7 ~ 9是用来研究水压的影响( ),隧道深度( ),和侧压力系数( )在灾难处理和灾难信息防水地层特点,分别。在流体流动计算器计算,在考虑固液耦合,和机械时间增加的循环持续80毫秒。

渗流特征水压力的压力值,水压力分布、防水地层和裂纹扩展,和垂直位移,以反映防水的稳定地层的n1 ~ 9个监视点的n9 HL1, HL2, HL3收集和记录。能源是裂纹扩展的基本动力学和岩体在任何情况下失败。岩石的破坏过程是伴随着能量积累、能量耗散和能量释放。为了分析防水的稳定地层从能量的角度在稳定性分析基于能量属性,释放的动能作为一种能源和能量耗散模型的系统计算和记录利用突水灾害过程的模拟程序。

3所示。岩溶水压力的影响( )

3.1。防水的渗流场分析地层在不同

表4展示了进化过程中渗流场的防水的三种情况下地层隧道500米深度,侧压力系数1.2,不同的岩溶水压力(案例1: MPa、案例2: MPa,案例3: MPa) 女士,40毫秒,80 ms。因此,此表被细分为9 subfigures;每3 subfigures一列显示了进化过程中防水地层的渗流场,这也说明防水地层的渐进破坏过程。和每3 subfigures一行是3下渗流场的比较不同岩溶水压力在同一机械持续时间。

列在表4表明,岩溶水在山洞里分裂原封闭层理层和跨关节,使防水地层未能形成许多裂缝上部和中部的共同作用下隧道开挖和岩溶水压力的围岩应力释放( 女士)。然后,进一步释放压力( 女士和 女士),裂缝进一步传播和防水地层断裂范围不断延伸,和故障程度的防水层随时间的增长而增加。在 女士,防水地层的趋势不稳定和突水通道的最初形式 MPa和 MPa。在这场灾难过程中,裂纹的传播特征和水压力的分布范围明显显示的时间效应和结构防水地层的影响。

随着时间的增加,显然发现防水地层的渗流范围显然和断裂延伸度迅速增加与岩溶水压力的增加三列的表4。第一列( MPa),相对较少的岩溶水压力和隧道开挖引起的裂缝生成在防水的上部和中部部分地层、裂缝并没有传播隧道的拱顶。因此,宏观突水通道不形式,和防水地层在病情稳定。每个测量的渗流压力点演示了一个从HL1 HL3递减状态,但渗透压力是恒定值,因为裂缝完全停止传播和渗透压力的发展。中间列( MPa),更大的断裂带渗流范围生成,骨折程度更为严重和突水通道基本形式。第三列( MPa),上述特征更加突出。n7 ~ n9的渗流压力测量点HL3为例,n7 ~ n9的渗流压力测量点 女士仍在增加,防水地层断裂过程中通过比较与第一列( MPa)。这些现象陶醉,岩溶水压力的重要原因是防水。

图4显示了渗流压力的趋势在9点测量。发现9的渗流压力测量分防水层增加小型赛车水压的增加从图4。到达时间的稳态渗流压力在不同测点的值变化明显,甚至渗透压力在某些测量点波动图4。上述现象的原因如下:(1)在隧道开挖,开挖扰动和岩溶水压力的作用下,岩溶水逐渐渗入到原来封闭裂缝,和渗流压力逐渐增加。当裂缝的渗流压力超过临界压力,裂缝开始启动和传播。无论最终是否防水地层不稳定(这与岩溶水压力),三个级别的岩溶水压力的作用下,防水地层中的裂缝可以扩展到n1 ~ n6测量中间点和防水上部地层。因此,渗流压力测量这些点可以达到一定的稳定价值形成之前macrowater侵入通道在防水地层或断裂时停止传播,如图4(一)和4 (b)。因为陶瓷的位置~ n6低于n1 ~ n3防水地层、裂缝将洞穴的传播时间与高水压力达到陶瓷~ n6相对较长,因此,需要很长时间的渗流压力陶瓷~ n6增加到一个稳定值。稳定渗流压力值在n1 ~ n3测量点接近岩溶水的压力,但在陶瓷渗透压力的稳定价值~ n6相对较小,如图4(一)和4 (b);(2)当岩溶水压力是1 MPa,防水地层中的裂缝只能繁殖到一定位置,和不发生突水。因为防水地层稳定,n7 ~ n9的渗流压力测点设置底部的防水层达到一个较小的稳定值比n1 ~ n6计量点。当岩溶水压力2 MPa和3 MPa, 女士,n7 ~ n9的渗流压力也在增长,而防水地层仍压裂,特别是当 MPa,如图4 (c)。

3.2。防水的地层在不同位移场分析

表5显示了三种情况下的位移场 ,2和3 MPa ,40和80 ms。第二列在表5( MPa)作为一个例子,我们分析的位移演化特征防水在灾难中地层水侵入的过程。隧道开挖后,防水地层流离失所的在某种程度上由于开挖效应的早期阶段的围岩应力释放( 女士),显著变形对隧道的内部和轻微的岩溶洞穴附近的位移。随着压力继续被释放( 女士),防水地层的渗流范围变得越来越大,和损害地区迅速扩展。防水地层中的渗透裂纹和渗流压力完全不同程度增加,导致防水隧道拱顶附近地层的位移继续增加。和防水地层断裂程度的进一步提高,但总的来说,防水层仍处于稳定状态。然而,当 女士,防水地层的整体位移显著增加,同时,裂缝迅速传播和相互融合使防水地层断裂条件。防水地层变得不稳定,由于严重的分裂。

虽然灾难的过程防水地层三种情况下的相似 ,2和3 MPa的影响不同岩溶水防水的稳定地层压力不容忽视。当 MPa,防水的垂直位移地层条件的稳定是相对较小的。但是,随着增加到2 MPa和3 MPa,防水地层经历失败 女士,可以清楚地观察到骨折程度和垂直位移的防水地层隧道顶部的增加不断的增加 。数量、宽度和连接液压骨折程度增加的同时,和骨折和不稳定的速度加快。增加水压力的溶洞有更大影响防水地层的崩溃。持续流固耦合效应最终导致失败和防水的整体不稳定地层。从表5,我们也可以发现断裂带增长的增加越来越大 。洞穴和隧道之间的破裂带向下位移,分为许多小碎片,释放了压力作用于下方的岩体破裂带,因此,岩体显示稍微向上的位移。

图5显示垂直位移的变化过程在9点测量防水地层 ,2,和3 MPa。比较相同的垂直位移测量点,很明显,垂直位移增加显著的增加 ,这说明岩溶水压力明显影响防水地层的位移。在细节,当 MPa,位移增加几乎线性和稳步增加的时间。但是,当是2 MPa或3 MPa,同一测点的位移抛物线的迅速增长,增长速度加快和增长速度增加。这是因为高岩溶水压力更容易产生裂缝防水地层,从而形成突水通道。同时,更高的岩溶水压力也可以产生一个向下的防水地层上的负载。这两个因素是防水地层的位移。的位移在HL1大于n1和n2 n3下相同的效果 。上面的一样,它们的垂直位移和n8在HL2 HL3指出拱顶位移较大,大于两边拱的肩膀。换句话说,隧道的拱顶是骨折严重与其他地方相比。

4所示。影响隧道的深度( )

4.1。防水的渗流场分析地层在不同

表6展示了进化过程中渗流场的防水的三种情况下地层岩溶水压力2 MPa,侧压力系数1.2,和隧道深度(例4: 米,例5: m,例6: 米) 女士,40毫秒,80 ms。列是机械持续时间,行是不同的隧道深度。类似于渗流场的演化过程部分3.1,对于每个隧道深度,岩溶水也浸润在地下室的防水地层下沉,拱肩,逐渐在隧道拱腰。但水渗流和裂纹扩展速度与隧道深度变化很大,和突水通道的形成时间不同的三种条件下隧道深度。在最初的阶段( 女士),防水地层的岩溶水进入到一个短的距离,离隧道拱顶的情况 m。但是,当增加到500米或800米,水即将进入防水地层。因此,可以得出结论,深埋隧道,更有可能的是,突水发生在初始阶段。更重要的是,通过比较水的分布面积相同的吗 ,但不同的 ,很明显,水和水力裂缝的分布面积增加隧道的防水地层明显提高深度。在 女士,突水主要发生在所有三个案例,但断裂和突水条件的规模 m是更大的比 m和达到最大 米,这表明断裂的规模和突水通道深度的增加而增长。这一现象表明,在水的压力和隧道开挖扰动的影响,隧道深度越大,越大的规模和合并骨折防水地层中形成,可加速通道的形成和突水灾害的发生。

图6显示了渗流压力的历时演化特征在9点测量的条件 ,500和800下隧道开挖扰动和岩溶水压力( MPa)。发现n1 ~ n3的渗流压力测量点HL1迅速达到一定稳定价值接近岩溶水压力在短时间内从图6(一)的渗透压力,n1 ~ n3的情况有些不同 ,500,最后800米。渗流压力的增长陶瓷~ n9测量分相比相对较慢的n1 ~ n3衡量点,和隧道深度越深,渗流压力越大测量点HL2和HL3数字6 (b)和6 (c)。这些表明,随着隧道深度的增加,水力裂缝的数量和连接形成的防水层变得更大,和平滑液压骨折可以防水地层中形成在一个相对短的时间内,导致突水灾害,根据上述分析。

4.2。防水的地层在不同位移场分析

表7显示了三种情况下的位移曲线 ,500年,800 ,40和80 ms。在表7的进化过程防水地层位移基本是类似于证明表6彼此之间,但它仍然存在着很大的差别,由于不同的隧道深度。在最初的阶段( 女士),防水在上部地层向上位移小(腔面附近)和更大的位移在下部(隧道一侧附近);这两种位移的大小和分布扩大隧道深度的增加。这些原因可以分析如下:防水地层岩石可以简化为一个列在顶部加载下,隧道开挖后离开,两边。顶部边受到2 MPa的水腔的压力,较低的一边是轻,虽然左右有更高的压力,大约8.6 MPa 米、14 MPa,海拔500米,23 MPa,海拔800米(这些值计算 ,采取 例如,米 MPa)。可以看出,左右受到更大的压应力比顶部和底部。由于在降低压力的顶部和底部的无约束或弱约束状态,织品容易分裂失败考虑到织品的方向平行于应力的方向作用于左右。根据简化的岩石泊松效应,列将横向变形和裂纹,几乎并联上下边界,防水地层中产生。由于在加载不同的顶部和底部如前所述,向上位移上一边岩溶空腔附近小于下行隧道附近的位移较低的一侧。此外,隧道深度越大,压力越大的左右防水地层,随后,横向变形越大,假定侧向压力系数保持不变在隧道深度的增加过程。

因此,在最初的阶段( 女士)表7隧道,随着深度的增加,面积越大向上位移防水地层的上部和更大的向下位移在下方的面积,更大的向上和向下位移的大小。然而,由于向下的位移总是大于向上的位移,该区域的上部向下位移的防水地层进一步扩大,导致向上位移的趋势在上部被弱化和抵消和防水地层的变形主要是基于向上位移表从第二和第三行所示7。这些分析对隧道的影响深度防水稳定的位移演化特征在不同的时间可以用来揭示岩溶水的垂直位移的影响机制表压力5。

图7显示垂直位移的历时演化特征HL1 9点测量,HL2, HL3的条件 ,500和800米。不同属性的任何测点在此图中,很容易发现,垂直位移及其增长速度或增长速度有一个小的两种情况的区别 m和 米,但更大的比 m。前两种情况下,垂直位移的变化趋势相对均匀,每一点的防水层显示一个明确的趋势不稳定故障。但后来,每个测点的垂直位移显著降低,这表明更大的水平构造应力是有利于防水地层岩溶空腔之间的稳定和隧道。此外,拱顶的垂直位移比两边拱肩再次验证。

5。侧压力系数的影响( )

5.1。防水的渗流场分析地层在不同

表8展示了进化过程中渗流场的防水的三种情况下地层岩溶水压力2 MPa,隧道500米,深度和侧压力系数(例7: ,例8: ,和案例9: )在 女士,40毫秒,80 ms。列是机械持续时间,行是不同侧压力系数。岩溶水也从上部向下浸润在防水地层底部。侧压力系数有影响的渗透压力和渗流分布范围与三种情况下的结果进行比较。它是发现的断裂 女士的情况下 比另一个更严重的两种情况的 和 。指出侧向压力系数越小,越严重的防水地层的裂缝。

图8显示了渗流压力的趋势在9分三种情况下的测量 ,分别为1.2和1.6。无论侧压力系数的值是什么,防水地层中的裂缝容易传播的n1 ~ n3测量分防水的上部地层,和耗散能量少,因为上面的测量点离岩溶空腔的边界。因此,n1 ~ n3计量点的渗透压力总是达到一个稳定值是接近在喀斯特岩溶水压力腔,如图8(一个)。因为陶瓷~ n6测量点与岩溶空腔相对较长的距离,裂缝的过程将高水压力腔实现陶瓷~ n6测量点HL2将更多的能量消散。因此,陶瓷~ n6计量点的渗透压力达到一个相对稳定的低价值,大约1.5 MPa ~ 1.8 MPa,如图8 (b)。在 女士,防水层仍在渗流过程中压力accumulating-crack起始和传播,reaccumulating-crack起始和传播的三种情况下 ,1.2和1.6。如图8 (c),更大的侧向压力系数引起正应力的增加在防水地层裂缝,然后提出了临界水压水力压裂裂缝的失败的门槛。因此,断裂程度高和断裂范围更大的侧压力系数低 ,和n7 ~ n9的渗流压力测量在防水的下部地层发育完全和较高的情况下相应的侧压力系数。

5.2。防水的地层在不同位移场分析

表9展示了进化过程中位移场的防水地层的三种情况下 ,1.2和1.6 女士,40毫秒,80 ms。防水的灾难过程层基于位移演化通常类似于表5和表7。但垂直位移显著不同于彼此的不同侧压力系数。在不同的条件 ,1.2和1.6,向上位移区域的扩展在防水的上部地层和位移的大小随着的增加而增加 。底层这一现象的原因是由于增加了正常压力的水力裂缝及其后果的关键水压力产生的裂纹萌生水平载荷增加对防水地层的左边和右边。非常清楚的是,断裂带和垂直位移的增加减少在 女士和80 ms的增加主要是由于水平载荷实现侧向压力系数。防水地层中的断裂状态是不同的在不同的侧压力系数。当侧压力系数相对较大( 或1.6),骨折的发展趋势是受制于一个更大的侧压力系数和裂缝状态的不发达状态。然而,防水地层断裂的状态是由于传播和合并较小的水力裂缝的侧向压力系数( ),和突水通道已经完全成形 ms。得出侧压力系数的增加可以抑制裂缝的发展从表防水地层和加强其稳定性9和它的系统性分析。

图9显示垂直位移的趋势发展的9分三种情况下的测量 ,分别为1.2和1.6。很明显,相同的垂直位移测量分减少明显的增加 。条件下,侧压力系数一样,接近隧道拱顶和防水地层的变形更大。为 或1.6,防水地层的垂直位移明显较小,但对于 ,防水地层垂直位移的增加迅速,垂直位移的最终值 女士比这大得多 或1.6。防水的垂直位移在下部地层增加不断的减少 。这表明,较小的值是防水地层的稳定性不利。

6。讨论

6.1。与之前的模型试验的结果进行比较分析

研究岩溶隧道突水的主要方法是理论分析、模型试验、现场试验和数值模拟。在理论分析方法中,很难分析和描述突水灾害过程高度非线性数学问题。现场试验并不是用来进行批量测试与多个因素和变量所需的条件,并严重威胁了试验机的安全。因此,理论分析和现场试验适合用作岩溶隧道突水的主要研究方法。根据时间表,模型试验和数值模拟可以作为有效的方法来进行突水研究和真正防水地层的模拟灾难过程考虑各种影响因素的耦合。巨大的代价模型试验具有许多缺点,耗时,缺乏完整的领域获取信息的能力和与过程。数值模拟可以解决上述问题,它的功能可视化动态灾难突水过程和断裂琐碎。因此,数值模拟是一种很有前途的、有效和方便的方法研究岩溶隧道突水,但结果的有效性使用这种方法需要验证了模型试验和其他方法。

出版文献中关于岩溶隧道突水,研究隧道的影响深度和防水的稳定地层侧压系数通过模型试验尚未被发现。一些学者做了一些研究岩溶水压力的影响防水地层稳定,它提供了可能性比较本文研究结果与先前的结果利用模型通过数值模拟测试。杨等人进行了物理模型试验研究防水地层的灾难过程,分析了渗流压力的进化属性防水地层岩溶水压力的增加(21]。朱用自主研发的测试系统研究岩溶水压力的影响防水的变形和变质地层,发现防水地层的垂直位移与岩溶水压力的增长逐渐增加(27]。本文的研究成果是高度符合上述使用模型试验,获得的成就证明了数值模拟方法的可靠性和有效性的结论。

6.2。三种影响因素的全面影响

防水的不稳定,然后突水之间地层隧道岩溶空腔和高压水基本上是局部失效的表现在岩溶隧道围岩的共同作用下,岩溶水压力和隧道开挖的扰动。岩溶水的压力是一种荷载直接作用于防水地层,引起灾难过程中的流固耦合效应的防水。我们可以看到,显然渗流和失败的范围扩展和断裂程度迅速增加与岩溶水压力的增加表4。因此,岩溶空腔的水压力的有效因素影响防水地层的稳定性分析研究的基础上本文发表论文和许多通过理论分析、数值模拟、模型试验和现场测试(28]。

如果不建造隧道地层,防水不存在地层和防水地层稳定的问题将不存在。隧道开挖扰动使防水层失去了降低岩体的支持,因此,防水地层在卸载和压力调整条件和防水的临界水压力地层失败会降低,最终导致防水地层不稳定和突水。卸荷和应力调整的程度直接相关的地应力环境tunnel-karst系统主要是由隧道深度和侧压力系数,结果,隧道深度和侧压力系数是影响防水地层稳定的参数。表6- - - - - -9和数字6- - - - - -9说明隧道防水地层岩溶空腔之间的稳定和减少在整个隧道深度的增长,但是随着侧压系数的下降。

目前,很少有研究岩溶水压力的综合作用,隧道深度,和侧压力系数防水地层的稳定性。张等人建立了裂纹尖端的应力强度因子之间的理论关系在围岩和隧道深度开挖卸荷扰动(29日]。郭先生与乔的趋势分析关键水压力防水地层失败与法向应力在裂纹防水层(30.]。根据上述成果,得出隧道深度可以加强应力强度因子,降低防水地层稳定,和侧压力系数可以提高临界水压力,稳定。这些结论与结果是一致的部分4和5。这些意味着隧道深度放大岩溶水压力的影响和侧压力系数的影响减弱 。

6.3。稳定性分析基于能量进化属性

如前所述,防水地层quasi-masonry结构组成的离散的小块岩石,床上用品,和交叉关节是异构的,不连续的,非线性和高度离散。因此,很难准确、定量地描述所有离散块的机械行为,关节,裂缝防水地层的不稳定过程的分析和演化特征的突水条件下,实验室测试研究小规模的岩石样本的行为和结构的飞机是不可能准确反映真实的状态。然而,这种复杂的现象可以处理和把握整个利用系统科学的理论。作为一个整体,岩溶空腔、隧道防水地层(围岩)被视为一个开放的系统(19]。一直存在这个系统与环境之间的能量交换,在岩溶隧道突水的过程被认为是上述系统的能量释放过程。在这个过程中,能量耗散是由于裂纹initiation-propagation-coalesce防水地层和塑性变形。防水地层的岩石碎片分离以一定的速度移动,而这些块系统释放能量(31日]。因此,消散和动能可以作为索引来描述这场灾难防水地层条件(32]。

采取三种情况下不同的岩溶水的压力 ,2,3节MPa3为例,消散的演化特征和动能(和 )突水灾害过程中,能量计算模块计算的模拟程序,如图10和11。段0 ~ 20 ms,进化的过程和几乎是相同的。在此期间,一些裂缝稳步发展和明显的位移出现在防水地层。但在20 ms,逐渐趋于一恒定值快速减少值较低 MPa,这表明,水力裂缝逐渐停止传播和防水地层条件下稳定性避免突水。这些现象都很符合那些显示在表4和图4。但在的情况下 或3 MPa,和增长迅速的增加 ,和他们的增长率也会增加。这些表明,裂缝继续传播,传播速度加快。水力裂缝的数量继续增加,位移继续加速。然后,防水地层变得不稳定和突水发生,虽然和的条件 MPa和 MPa有相同的进化趋势数据10和11。但在20 ms,通过比较两种情况 MPa和 MPa,不仅系统的动能和耗散能量明显不同,但同样的增长率和也是同样的情况。它表明,岩溶水压力越大,越可能失败和突水。这些结果与位移和裂缝表好协议4和5。

6.4。工程措施来控制和预防突水

全球喀斯特分布面积2200万平方公里,占全球陆地面积的15%。其中,主要集中分布在云贵高原,在中国Hunan-Guangxi丘陵盆地;地块中央,在俄罗斯乌拉尔山脉;在中东和印第安纳州和肯塔基州的美国。这是不可避免的,隧道将密切暴露岩溶结构或通过受影响的区域,当一些隧道岩溶地区的建设计划。突水灾害通常是由防水的不稳定地层(33]。本文的结果表明,岩溶水压力、隧道深度,和侧压系数对防水地层稳定性有明显的影响。隧道深度和侧压力系数是重要的考虑因素在隧道设计阶段(路线选择)。但这些都是不可变的隧道施工阶段的地质环境。这部分主要论述了控制和预防措施的岩溶隧道突水灾害的角度影响岩溶水压力定律。图12显示了渗流压力的变化特征和n2的垂直位移,它们,n8的三种情况下 米, ,和 MPa, 2 MPa, 3 MPa 女士,40毫秒,80 ms。根据图12的渗透压力和垂直位移三个计量点增加与岩溶水压力的增加明显。因此,岩溶水压力腔是一个极其重要的因素影响防水地层稳定,此外,防水性能和不渗透性也控制和防止突水的关键。

根据上述分析,岩溶水压力的利弊方面和防水性能之间的岩体腔高水压力和隧道,主要考虑在游戏过程中不稳定的过程中防水地层和突水的关键控制,防止岩溶隧道突水灾害。岩溶隧道突水灾害是通过减少防水的关键水压力引起的地层失败由于隧道开挖扰动,因此,减少岩溶水压力和增加岩体的临界水压力的主要措施,以遏制岩溶隧道突水。一些排水洞或隧道通常设置在岩溶空腔释放储存能量,减少岩溶水压力的工程实践。最后,上述方法使得在岩溶隧道岩溶水压力小于临界水压防水地层失败,然后在岩溶突水灾害成功避免了。的另一种方法增加防水的临界水压力地层主要是通过改善岩体本身的防水性能。在工程实践中,一方面,小和短节的部分开挖进度,避免过度开挖扰动岩体和保护的防水性能。另一方面,灌浆和其他prereinforcement方法实现加强防水地层,提高防水性能和不渗透性34- - - - - -36]。

7所示。结论

突水的主要地质灾害之一在岩溶隧道开挖。调查的进化特点渗透压力和位移突水灾害过程的不同组合条件下岩溶水的压力,隧道深度、侧压力系数,基于DEM进行了一系列的数值模拟分析利用数值模型考虑到quasi-masonry防水地层结构的性质。可以得出一些结论如下:(1)计量点的渗透压力增加而增加小型赛车的水压力。渗流压力演示了一个减少状态从HL1 HL3和到达时间稳定渗流压力的值在不同测点的变化很明显,它显示了时间的效果。位移与时间线性增加几乎在岩溶较低的压力下,和相应的关系曲线表明抛物线的属性更高的岩溶水压力的条件。骨折区域、骨折程度和渗流压力水平与岩溶水压力的增加迅速增加(2)水渗流和裂纹扩展的速度与隧道深度变化很大。防水和位移大小的区域地层与隧道深度增加。水的分布面积和液压骨折明显随着隧道深度的增加而增加。隧道深度越大,形成的更大的规模和合并骨折,越有可能突水发生在很短的时间内。防水地层的稳定性降低的增长对整个隧道深度(3)无论侧压力系数的值是什么,n1 ~ n3计量点的渗透压力总是达到一个稳定值接近的岩溶水压力和陶瓷~ n9达到一个相对稳定的低价值。垂直位移随侧压力系数的增加减少。更大的侧向压力系数提出了临界水压力。侧压力系数的增加可以抑制裂缝的发展和加强稳定性。断裂的状态是不同的在不同的侧压力系数(4)本文通过数值模拟的研究结果与利用模型试验获得的成就高度一致。隧道深度放大岩溶水压力的影响 ,和侧压力系数的影响减弱 。稳定性分析基于能量属性可以是重要的方法来分析和描述灾难防水地层的过程和条件。针对防水地层的稳定性的重要影响,岩溶水压力的利弊方面和防水性能的关键控制,防止在岩溶隧道突水

数据可用性

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的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51778215),国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(批准号2013 cb036003),中国博士后科学基金资助(批准号2018 m631114),和国家重点实验室的开放基金会(KF2020-07)。