隧道突涌水前兆信息演化规律与融合预警方法及工程应用
发布时间：2021-04-16 08:45
随着国家基础设施建设的蓬勃发展和"一带一路"宏伟战略实施,我国交通、水电建设正逐步走向世界。隧道修建规模和难度不断增大,数量不断增多,修建过程中突涌水灾害频发,涉及公路、铁路、水电、跨流域调水以及矿山资源等诸多工程领域。隧道重大突涌水灾害难以遏制的重要原因在于,突涌水是一种多尺度嵌套的多物理场融合作用的地质灾害,目前尚未有效实现对突涌水动力灾变前兆信息的获取、辨识,在隧道突涌水预测方法和预警机制方面,缺乏科学的理论模型。本文以突涌水灾害发生过程中的前兆多元信息为对象,依托保宜高速尚家湾隧道和重庆市快速路歇马隧道,结合室内实验、理论分析、设备研发、模型试验、数据挖掘、软件开发和现场应用等研究方法,研究了突涌水灾害前兆多元信息演化模式、融合预测方法和远程预警机制,获得以下成果。(1)通过对典型突涌水灾害案例剖析,结合大量国内外突涌水实例,划分了含水致灾构造类型,依据造成灾害发生的含水致灾构造类型,将突涌水划分成裂隙型、溶洞溶腔型、断层型和管道及地下暗河型。基于突涌水形成的物质条件、地质构造和水源条件特征,建立了突涌水孕灾模式,将突涌水工程地质模式划分为无补给静储量、弱补给静-动储量和强补给动储量三种。通过分析国内10年内50多例隧道突涌水灾害,根据隔水阻泥结构性质的不同,突涌水灾害分成隔水岩体破坏突涌水和充填渗透失稳突涌水。(2)通过研究不同隔水阻泥结构破坏过程中伴随产生的相关物理量,得到隔水阻泥结构失稳前兆多元信息的发展规律,基于三维重整化群的破坏概率理论,实现了临界特征点的判识,通过改进Poynting-Thomson模型,建立了突涌水灾害的弹塑脆性突变模型,诠释了隔水岩体结构非稳定破坏的突发性和延时性,建立了突涌水危险性监测预警判别准则,为后续研究提供理论基础。(3)发明了全自动真三轴地质力学模拟试验系统,可实现应力场三维效应的综合试验平台,包含三维模型钢结构框架系统、液压稳压控制系统、水压加载系统、开挖工具系统和数据监测与采集系统,可以实现三维地质力学动静态加载综合模拟,可施加自重应力场及构造应力场,能够满足深埋或高地应力条件下隧道开挖三维力学特性模拟试验,实现由平面应变场到准三维应力场再到三维应力场的转化,试验模型体可自动进出,加载过程中稳压系统智能补偿压力损耗,满足试验的高精度需求,研制了全新的水压加载装置,提供持续稳定的有压水源,同时研发了配套的试验辅助装置,实现突涌水前兆多元信息实时监测获取。(4)利用研制的全自动真三轴地质力学模拟试验系统,采用第三代相似材料CBCS进行隔水岩体破坏突涌水模型试验,真实模拟了在开挖扰动和水压联合作用下隔水岩体破坏突涌水发生全过程,监测得到位移、渗压和应力等前兆信息的演化规律,揭示了隔水岩体失稳过程的灾变机理,通过融合突涌水前兆多元信息,得到隔水岩体失稳突涌水前兆多元信息的敏感性排序为:应力信息位移信息渗压信息。(5)利用研制的充填介质渗透破坏突涌水物理模拟试验系统,开展渗透破坏突涌水模拟试验,获取其前兆信息演化规律,得到了充填渗透失稳突涌水前兆信息的敏感性排序为:位移信息渗压信息应力信息。同时依据突涌水规模的演化特点,将充填介质渗透失稳突涌水分为渗流阶段、突变阶段和紊流阶段,水质由浑浊变清是渗流突变的拐点,也是充填渗透失稳突涌水灾害发生的重要前兆信息。(6)基于隧道突涌水前兆多元信息演化规律,形成两类突涌水灾害前兆信息演化模式。运用多元统计分析中的主成分分析及因子分析方法建立隧道多类型突涌水模式匹配模型,通过改进D-S证据融合理论建立了隧道突涌水前兆多元信息融合分析方法。采用日志审计的方法对△T时间段内的突涌水态势进行量化计算,引进改进的D-S融合理论进行融合分析,结合实时监测数据对分析结果进行修正,引入GM(1,1)、ARMA和Holt-Winters等模型对突涌水态势进行预测,为突涌水灾害准确预警建立基础。(7)开发了隧道突涌水融合预警软件,引入地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息等施工过程前兆分析,预判含水致灾构造的空间位置与含水量大小,建立了基于勘察、预报、施工为基础的预警理论,为监测布点和有效主动防控提供了重要参考依据。采用无线渗压、应力、位移等传感器对前兆多元信息实时监测,基于无线传输技术将监测信息传至远程云端,实现山东大学总监控中心、工地分中心、互联网电脑、手机等多终端对隧道突涌水异地、实时监控与预警。利用该研究成果,某隧道工程施工过程中的突涌水风险得到了有效规避,保障了施工安全。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U456.3
本文编号：2044854
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U456.3
文章目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景概述
1.1.1 研究背景及意义
1.1.2 选题依据与目的
1.1.3 问题的提出
1.2 国内外研究现状
1.2.1 突涌水灾害孕灾模式及类型划分方面
1.2.2 突涌水灾害前兆信息及其获取方法方面
1.2.3 隧道突涌水灾害预测预警方面
1.2.4 研究现状发展趋势与存在问题
1.3 本文主要内容与创新点
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
1.3.3 创新点
第二章 隧道突涌水灾害工程地质模式及类型划分
2.1 典型隧道突涌水灾害案例分析
2.1.1 红岩寺隧道裂隙型突涌水
2.1.2 齐岳山隧道溶洞溶腔型突涌水
2.1.3 永莲隧道断层型突涌水
2.1.4 尚家湾隧道管道及地下暗河型突涌水
2.2 隧道突涌水灾害的工程地质模式
2.2.1 无补给静储量含水致灾构造引发的突涌水灾害
2.2.2 弱补给静-动储量含水致灾构造引发的突涌水灾害
2.2.3 强补给动储量含水致灾构造引发的突涌水灾害
2.3 隧道突涌水灾害类型及其特征
2.3.1 隔水岩体破坏突涌水
2.3.2 充填介质失稳突涌水
2.4 本章小结
第三章 突涌水前兆信息监测预警物理基础
3.1 隔水阻泥结构破坏相关的物理量
3.2 隔水岩体破坏物理量变化特征
3.2.1 声发射信息特征分析
3.2.2 温度场信息特征分析
3.2.3 孔隙水压信息特征分析
3.2.4 视电阻率信息特征分析
3.3 充填介质失稳过程与物理量变化特征
3.3.1 电阻率信息特征分析
3.3.2 温度场信息特征分析
3.4 隔水阻泥结构破坏临界特征点识别
3.4.1 隔水岩体破坏前兆信息临界点分析
3.4.2 充填介质体破坏前兆信息临界点分析
3.4.3 隔水阻泥结构破坏临界点理论分析
3.5 突涌水灾害弹塑脆性突变模型
3.5.1 岩体脆性材料变形破坏特征
3.5.2 弹塑脆性突变模型
3.5.3 岩体破坏及前兆信息判据
3.5.4 突涌水危险性预警判别准则
3.6 本章小结
第四章 全自动真三轴地质力学模拟试验系统
4.1 模拟试验系统研制思路
4.2 功能需求与总体设计
4.3 三维模拟试验钢结构框架系统
4.3.1 拱形反力台架
4.3.2 自动开关门台架
4.3.3 自动伸缩基础台架
4.4 液压控制系统
4.4.1 液压加载控制系统
4.4.2 开关门控制系统
4.4.3 伸缩底板控制系统
4.5 水压加载系统
4.6 开挖工具系统
4.7 数据监测与采集系统
4.8 本章小结
第五章 隔水岩体破坏突涌水模型试验及前兆信息演化规律
5.1 工程概况
5.1.1 依托工程概况
5.1.2 现场突涌水灾害简况
5.1.3 隧道突涌水段水文地质情况
5.2 基本力学参数测试
5.2.1 试块的制作
5.2.2 单轴压缩试验
5.2.3 巴西劈裂试验
5.2.4 三轴压缩试验
5.2.5 试验结果分析
5.3 流固耦合相似材料
5.3.1 流固耦合相似理论
5.3.2 流固耦合相似材料
5.4 隔水岩体破坏突涌水模型试验
5.4.1 模型试验设计
5.4.2 监测方案设计
5.4.3 模型填筑及监测元件埋设
5.4.4 模型试验开挖
5.5 隔水岩体破坏前兆信息演化规律
5.5.1 隧道突涌水过程分析
5.5.2 位移信息演化规律
5.5.3 应力信息演化规律
5.5.4 渗压信息演化规律
5.5.5 前兆多元信息融合分析
5.6 本章小结
第六章 充填渗透失稳突涌水模拟试验及前兆信息演化规律
6.1 依托现场工程
6.1.1 工程概况
6.1.2 现场突涌水灾害简况
6.2 隧道充填介质材料配比
6.2.1 围岩相似材料
6.2.2 充填介质材料组成
6.2.3 初始渗透系数测定
6.3 模拟试验装置及模型制作
6.3.1 模拟试验装置
6.3.2 试验工况设计
6.4 充填介质渗透失稳前兆信息演化规律
6.4.1 涌水量信息演化规律
6.4.2 涌泥砂量信息演化规律
6.4.3 充填管道孔隙率信息演化规律
6.4.4 充填管道渗透性演化规律
6.5 前兆多元信息临界特征点识别
6.6 本章小结
第七章 隧道突涌水模式判别及前兆信息融合预测方法
7.1 突涌水前兆多元信息演化模式
7.2 隧道多类型突涌水模式匹配模型
7.2.1 多元信息的主成分分析
7.2.2 多元信息的因子分析
7.2.3 突涌水模式匹配模型
7.3 隧道突涌水前兆多元信息融合分析方法
7.3.1 传统证据信息融合理论
7.3.2 改进D-S证据融合理论
7.3.3 融合模型实例应用
7.4 隧道突涌水态势融合预测方法
7.4.1 突涌水态势评估模型
7.4.2 突涌水态势评估方法
7.4.3 突涌水态势实时修正
7.4.4 突涌水态势预测方法
7.5 本章小结
第八章 隧道突涌水融合预警系统及工程应用
8.1 隧道突涌水融合预警软件开发
8.1.1 软件功能设计
8.1.2 软件架构设计
8.1.3 数据库及应用程序实现
8.1.4 软件开发关键技术
8.2 隧道突涌水融合预警软件功能
8.2.1 TMIWS软件安装
8.2.2 TMIWS软件使用方法
8.2.3 TMIWS软件测试
8.3 现场工程应用
8.3.1 工程概况
8.3.2 远程智能监控系统
8.3.3 远程融合预警优势
8.4 本章小结
第九章 结论与展望
9.1 结论
9.2 展望
参考文献
博士期间参与的科研项目
博士期间发表的论文
博士期间申请的专利
博士期间获得的奖励
致谢
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：2044854
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