高水压富水区裂隙岩体隧道地下水与围岩及结构相互作用机理研究

Through the study on mechanism of interaction under-ground water on surronding rock and structure of crevice mass tunnel in high water pressure and water-enriched region to exploring the mechanics interactions of underground water in crevice rock mass, grouting circle, shotcrete and behind the lining. The methods of theoretical analysis, laboratory test, field test and numerical analysis have been used. To put forward the tunnel percolation conceptive model combined multi-layer equivalent continuum with channel flow by analysis of the high pressure rich water tunnel construction, structure design characteristics. To ensure the crevice surrounding rock key parameter --- equivalent permeability coefficient by the equivalent area method based on fracture development and distribution character based on field and laboratory test and revise it by the field water pressure test and inverse result; The mechanics interactions of groundwater on crevice rock mass,grouting circle,shotcrete and the lining,the macroscopic law and action mode of water pressure can be put forward by simulating the seepage field characteristics of main tunnel construction process (excavation, shotcrete, lining) and the condition and the law of continuous flow and discontinuous flow.Then through the field test to verified and consummate it. The research results to reveal the groundwater seepage rule of crevice rock mass tunnel has important significance, it also establishes the theory base for the stability of surrounding rock of crevice surrounding rock tunnel in high water pressure and water-enriched region,the groundwater pressure law of lining and the processing method to high water pressure.

采用理论分析、室内试验、现场试验和数值分析相结合的方法，进行高水压富水区裂隙岩体隧道地下水与围岩及结构相互作用机理研究，探索裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土及衬砌背后地下水力学相互作用问题。通过高水压富水区隧道施工、结构设计特点分析，提出多层等效连续介质与管道流相结合的隧道渗流概化模型；以现场及室内试验方法为基础，采用基于裂隙发育及分布统计特征的面积等效法确定裂隙围岩渗流关键参数--等效渗透系数，并用现场压水试验及反演结果进行修正；采用数值分析方法模拟隧道主要施工过程（开挖、喷混凝土、衬砌）中渗流场特征，分析连续流及非连续流的条件及规律，得出裂隙岩体、注浆圈、喷混凝土及衬砌背后地下水力学相互作用机理、水压力宏观规律及作用方式，并进行现场试验验证和完善。研究成果对揭示裂隙岩体隧道地下水渗流规律具有重要意义，为高水压富水区裂隙岩体隧道围岩稳定性和衬砌水压力规律分析及对高水压的处理措施奠定理论基础。

富水区裂隙岩体隧道地下水渗流场特征是确定隧道水压力荷载和围岩稳定性的主要理论依据。本项目研究高水压富水区裂隙岩体隧道地下水与围岩及结构相互作用机理，对海底隧道、山岭富水隧道具有重要的工程应用价值。. 依据高水压富水区裂隙岩体隧道的修建过程和特点，研究提出了裂隙介质+连续介质+管道流相结合的隧道渗流模型。结合隧道修建对隧道区域局部范围内地下水渗流系统改变的特点，分析提出了非连续流产生的条件。研究表明：产生非连续渗流的本质原因是隧道结构及排水系统改变了隧道局部区域的地下水渗流路径及排泄条件，使隧道局部区域完全有可能产生非连续流。非连续流问题的提出对于解释隧道工程中测试的水压力远远小于其静水压力问题提供了一定的理论依据，为隧道衬砌背后水压力的研究提供了新的思路。. 对裂隙岩体隧道渗流关键参数重点研究了裂隙岩体和注浆后围岩（注浆圈）的渗透性，通过试验数据的统计分析，给出了裂隙岩体渗透系数与裂隙面积和粗糙度的计算公式，提出了裂隙岩体面积等效计算方法。. 对裂隙岩体隧道渗流场特征进行了3DEC离散元分析、室内试验和现场试验，得出了裂隙岩体富水隧道水压力分布规律，结果表明：隧道排水比D的变化对衬砌背后水压力的影响显著，排水比增加衬砌背后水压力减小，隧道排水系统的排水能力远大于周边围岩或注浆圈渗透能力时，会产生非连续流，显著降低作用在隧道衬砌背后的水压力。. 以隧道渗流场特征为依据，采取“以堵为主，限量排放”原则，确定了合理注浆堵水圈厚度为2.0~8.0m，注浆圈渗透系数为2×10-8~1×10-7 m/s，填充率宜为92.2%~95.4%，可根据工程实际选择合理注浆材料及注浆方法。. 地下水与隧道结构的相互作用是富水区隧道工程的共性问题，研究成果揭示了裂隙岩体隧道地下水渗流规律，具有重要的科学意义和工程应用价值。