随着经济的快速发展和基础建设的逐步完善,我国隧道工程得到高度发展,隧道修建所面临的岩溶地质环境复杂多变,在隧道建设过程中经常遭遇充填型隐伏溶洞引发涌突水地质灾害,对施工人员和设备造成严重威胁。本文通过文献查阅、理论分析和室内试验等方法,对充填型隐伏溶腔渗透破坏机理及涌突水演化过程进行深入研究,主要研究工作和取得的进展如下:(1)从地表负地形、地质构造、可溶岩空间展布三方面分析隐伏溶洞赋存的岩溶地质条件;抽象概括了隐伏溶洞的发育扩展过程及充填介质特征;从储存介质能量、隔水阻泥结构稳定性、人工扰动三方面分析了隐伏溶洞涌突水的激发条件;依据溶洞充填介质特征、涌水频率、隔水阻泥结构特征将涌突水灾害划分为八种不同类型。研究结果为隐伏溶洞充填介质渗透破坏机理及涌突水演化过程的研究提供一定的理论基础。(2)从颗粒迁移流失的角度出发研究充填介质的渗透破坏特征,将充填介质渗透失稳过程划分为管涌破坏阶段、涌水(砂)通道扩展阶段和突水(砂)阶段。基于河流动力学的相关理论,针对管涌破坏阶段建立一种多层螺旋毛管模型,考虑颗粒级配及细颗粒含量确定毛管模型的层次,进一步分析渗流力的影响,在此基础上对可动颗粒进行受力分析,通过力矩平衡分析可动颗粒临界起动流速。针对涌水(砂)通道扩展阶段建立一种圆形截面通道模型,通过对通道边壁颗粒进行三维受力分析,依据力矩平衡确定通道边壁颗粒的临界起动流速。以渗透率的变化作为两个阶段联系的桥梁,突水(砂)阶段是通道扩展到一定程度之后的结果。通过实际工程案例对充填介质渗透破坏理论进行了验证。(3)研制了“隐伏溶洞涌突水演化过程及充填介质破坏特征”模拟试验装置,该装置主要由四部分组成,包括沉积储存装置、突水开关控制装置、流水槽装置和泥水体回收装置。通过观察试验现象,依据流速、喷距的变化将涌突水过程划分为四种,包括渗-涌-突水(砂)模式、涌-突水(砂)模式、突水(砂)模式、渗-突水(砂)模式。涌突水过程中水流状态的发展演化是充填介质渗透失稳的外在表现,间接说明了充填介质渗透破坏理论分析的合理性。(4)通过室内试验分析了介质上覆水头高度、介质沉积高度、介质类型和介质颗粒级配特征对隐伏溶洞涌突水过程持续时间的影响规律。研究结果表明,颗粒级配和介质种类对渗水(砂)阶段影响明显:细砂、中砂颗粒含量与持续时间的关系可用多项式函数表示,泥沙型介质持续时间大于砂砾型。介质沉积高度和介质类型对涌水(砂)阶段影响明显:砂砾型和泥沙型介质沉积高度与涌水(砂)持续时间呈正相关,泥沙型介质持续时间小于砂砾型。介质颗粒级配和沉积高度对突水(砂)阶段影响明显:细砂颗粒含量与持续时间的关系可用多项式函数表示,砂砾型介质沉积高度与持续时间呈先增大后减小的关系。(5)通过室内试验分析了介质上覆水头高度、介质沉积高度、介质类型和介质颗粒级配对隐伏溶洞充填介质破坏区范围及破坏形态的影响规律。研究结果表明,沿突水方向破坏区范围:泥沙型介质在不同上覆水头高度下破坏范围几乎不变,砂砾型介质沉积高度与破坏范围呈正相关,砂砾型介质破坏范围大于泥沙型介质,粗粒、砾粒颗粒含量与破坏范围的关系可用多项式函数表示。垂直突水方向破坏区范围:泥沙型介质上覆水头高度与破坏范围呈正相关,泥沙型介质沉积高度与破坏范围呈正相关,砂砾型介质大于泥沙型介质且砂砾型介质破坏范围一直处于最大边界附近,砾粒颗粒含量与破坏范围的关系可用多项式函数表示。通过分析充填介质破坏形态特征,将其归纳为两种:半圆柱状和半圆锥状,利用相应的体积计算公式计算其空间容量。