隧道突涌水前兆信息演化規(guī)律與融合預(yù)警方法及工程應(yīng)用.pdf

1、隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展和“一帶一路”宏偉戰(zhàn)略實(shí)施，我國交通、水電建設(shè)正逐步走向世界。隧道修建規(guī)模和難度不斷增大，數(shù)量不斷增多，修建過程中突涌水災(zāi)害頻發(fā)，涉及公路、鐵路、水電、跨流域調(diào)水以及礦山資源等諸多工程領(lǐng)域。隧道重大突涌水災(zāi)害難以遏制的重要原因在于，突涌水是一種多尺度嵌套的多物理場融合作用的地質(zhì)災(zāi)害，目前尚未有效實(shí)現(xiàn)對突涌水動力災(zāi)變前兆信息的獲取、辨識，在隧道突涌水預(yù)測方法和預(yù)警機(jī)制方面，缺乏科學(xué)的理論模型。
　　本文

2、以突涌水災(zāi)害發(fā)生過程中的前兆多元信息為對象，依托保宜高速尚家灣隧道和重慶市快速路歇馬隧道，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析、設(shè)備研發(fā)、模型試驗(yàn)、數(shù)據(jù)挖掘、軟件開發(fā)和現(xiàn)場應(yīng)用等研究方法，研究了突涌水災(zāi)害前兆多元信息演化模式、融合預(yù)測方法和遠(yuǎn)程預(yù)警機(jī)制，獲得以下成果。
　　(1)通過對典型突涌水災(zāi)害案例剖析，結(jié)合大量國內(nèi)外突涌水實(shí)例，劃分了含水致災(zāi)構(gòu)造類型，依據(jù)造成災(zāi)害發(fā)生的含水致災(zāi)構(gòu)造類型，將突涌水劃分成裂隙型、溶洞溶腔型、斷層型和管道及地下

3、暗河型?；谕挥克纬傻奈镔|(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造和水源條件特征，建立了突涌水孕災(zāi)模式，將突涌水工程地質(zhì)模式劃分為無補(bǔ)給靜儲量、弱補(bǔ)給靜-動儲量和強(qiáng)補(bǔ)給動儲量三種。通過分析國內(nèi)10年內(nèi)50多例隧道突涌水災(zāi)害，根據(jù)隔水阻泥結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同，突涌水災(zāi)害分成隔水巖體破壞突涌水和充填滲透失穩(wěn)突涌水。
　　(2)通過研究不同隔水阻泥結(jié)構(gòu)破壞過程中伴隨產(chǎn)生的相關(guān)物理量，得到隔水阻泥結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前兆多元信息的發(fā)展規(guī)律，基于三維重整化群的破壞概率理論，實(shí)現(xiàn)了臨

4、界特征點(diǎn)的判識，通過改進(jìn)Poynting-Thomson模型，建立了突涌水災(zāi)害的彈塑脆性突變模型，詮釋了隔水巖體結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定破壞的突發(fā)性和延時性，建立了突涌水危險(xiǎn)性監(jiān)測預(yù)警判別準(zhǔn)則，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。
　　(3)發(fā)明了全自動真三軸地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場三維效應(yīng)的綜合試驗(yàn)平臺，包含三維模型鋼結(jié)構(gòu)框架系統(tǒng)、液壓穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、水壓加載系統(tǒng)、開挖工具系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)力學(xué)動靜態(tài)加載綜合模擬，可施加自

5、重應(yīng)力場及構(gòu)造應(yīng)力場，能夠滿足深埋或高地應(yīng)力條件下隧道開挖三維力學(xué)特性模擬試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)由平面應(yīng)變場到準(zhǔn)三維應(yīng)力場再到三維應(yīng)力場的轉(zhuǎn)化，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w可自動進(jìn)出，加載過程中穩(wěn)壓系統(tǒng)智能補(bǔ)償壓力損耗，滿足試驗(yàn)的高精度需求，研制了全新的水壓加載裝置，提供持續(xù)穩(wěn)定的有壓水源，同時研發(fā)了配套的試驗(yàn)輔助裝置，實(shí)現(xiàn)突涌水前兆多元信息實(shí)時監(jiān)測獲取。
　　(4)利用研制的全自動真三軸地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，采用第三代相似材料CBCS進(jìn)行隔水巖體破壞突涌水模

6、型試驗(yàn)，真實(shí)模擬了在開挖擾動和水壓聯(lián)合作用下隔水巖體破壞突涌水發(fā)生全過程，監(jiān)測得到位移、滲壓和應(yīng)力等前兆信息的演化規(guī)律，揭示了隔水巖體失穩(wěn)過程的災(zāi)變機(jī)理，通過融合突涌水前兆多元信息，得到隔水巖體失穩(wěn)突涌水前兆多元信息的敏感性排序?yàn)?應(yīng)力信息＞位移信息＞滲壓信息。
　　(5)利用研制的充填介質(zhì)滲透破壞突涌水物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開展?jié)B透破壞突涌水模擬試驗(yàn)，獲取其前兆信息演化規(guī)律，得到了充填滲透失穩(wěn)突涌水前兆信息的敏感性排序?yàn)?位移信息＞

7、滲壓信息＞應(yīng)力信息。同時依據(jù)突涌水規(guī)模的演化特點(diǎn)，將充填介質(zhì)滲透失穩(wěn)突涌水分為滲流階段、突變階段和紊流階段，水質(zhì)由渾濁變清是滲流突變的拐點(diǎn)，也是充填滲透失穩(wěn)突涌水災(zāi)害發(fā)生的重要前兆信息。
　　(6)基于隧道突涌水前兆多元信息演化規(guī)律，形成兩類突涌水災(zāi)害前兆信息演化模式。運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析中的主成分分析及因子分析方法建立隧道多類型突涌水模式匹配模型，通過改進(jìn)D-S證據(jù)融合理論建立了隧道突涌水前兆多元信息融合分析方法。采用日志審計(jì)的方法

8、對△T時間段內(nèi)的突涌水態(tài)勢進(jìn)行量化計(jì)算，引進(jìn)改進(jìn)的D-S融合理論進(jìn)行融合分析，結(jié)合實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)對分析結(jié)果進(jìn)行修正，引入GM(1，1)、ARMA和Holt-Witers等模型對突涌水態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測，為突涌水災(zāi)害準(zhǔn)確預(yù)警建立基礎(chǔ)。
　　(7)開發(fā)了隧道突涌水融合預(yù)警軟件，引入地質(zhì)前兆信息、預(yù)報(bào)前兆信息和施工監(jiān)測信息等施工過程前兆分析，預(yù)判含水致災(zāi)構(gòu)造的空間位置與含水量大小，建立了基于勘察、預(yù)報(bào)、施工為基礎(chǔ)的預(yù)警理論，為監(jiān)測布點(diǎn)和有效主動