随着国家基础设施建设尤其是交通基础设施建设的飞速发展,数万公里的交通隧道工程正在或即将在我国西部地形和地质条件极端复杂的高山峡谷地区兴建,由于隧道在施工前期难以全部查清沿线不良地质情况,加上突发灾害成因与灾变过程极为复杂,导致隧道在施工过程中存在突水突泥等地质灾害的重大风险,严重影响隧道工程建设安全,极易造成重大的人员、经济损失和严重的生态环境破坏。隧道岩溶突涌水灾害难以遏制的根本原因在于,突水灾害源赋存规律和灾变演化机制极为复杂,尚未形成系统清晰的认识,灾后注浆封堵机理与治理技术未成体系,难以对灾害的预防和控制进行有效的指导。本文以岩溶突水机理研究为基础,依托湖北省鄂西高速齐岳山隧道、湖南省龙永高速大坝隧道等工程,采用理论分析、大比尺模型试验、数值仿真和现场试验等综合研究方法,系统研究岩溶突涌水机理与治理方法。通过揭示重大突涌水灾害源赋存规律,通过理论分析深入研究岩溶构造渗透失稳突涌水机理,开展了施工扰动诱发突涌水的大比尺三维模型试验和数值仿真。基于突水前兆信息演化规律,建立了突水多物理场信息实时监测与预警方法,构建了远程监控系统平台,并成功用于齐岳山隧道。从治理角度划分了突涌水类型,系统揭示了浆液扩散机制与注浆封堵机理,建立了基于涌水通道精细化探查与分类注浆处治的治理方法,并成功应用于大坝隧道岩溶突涌水灾害治理。具体包括:(1)系统整理了我国近年来隧道重大突涌水案例,通过统计分析与归类划分,提出了岩溶隧道重大突涌水灾害源类型及其赋存特征,揭示了断层内部结构水位地质和岩体岩性特征。并进一步提出了岩溶型突涌水灾害源的分布特征和充填介质特性,结合齐岳山等隧道进行了详细分析,揭示了依托工程重大突涌水灾害源的分布规律与发育特征。(2)针对岩溶充填性致灾构造,以强渗透弱胶结介质为研究对象,建立了充填介质渗流控制方程,系统分析了充填介质的渗透失稳演化机理。针对弱渗透强胶结充填介质,建立了充填体整体突出的力学模型及失稳判据,揭示了弱渗透强胶结介质整体突出的最小安全厚度。(3)针对岩溶不同位置发育情况,研究施工扰动和地下水渗透作用下溶洞突水的灾变演化机制和前兆信息规律。开发了大型三维组合式固液耦合试验平台和水压加载控制系统,具有水体和溶洞自溶生成与内封闭隔水等优势功能。开展了隧道施工扰动诱发岩溶突涌水的物理模型试验,揭示了掌子面逐步推进诱发不同位置溶洞突水的灾变演化机理,结合数值仿真结果,提出了溶洞突水前兆多元信息的演化规律及临突特征,为突涌水监测设计与临灾预警提供了理论依据。(4)以隧道防突结构为监测对象,针对隔水岩体渐进性破坏与充填渗透失稳两种典型突涌水模式,建立了基于防突结构多物理场信息实时监测的融合预警方法,开发了了隧道突涌水灾害远程监控预警分析系统。根据工程在勘察设计、施工、监测等方面工作的前期数据和特点,并综合考虑突水强度、报警位置及防控时间,提出了不同级别预警的对策措施和应急预案。(5)根据不同突涌水类型的灾害特征,从治理角度划分为节理裂隙型涌水、集中管道型涌水及大型岩溶结构突涌水等三种类型,通过现场监测试验揭示了注浆封堵过程中各个阶段注浆压力、注浆量与注浆速率的演变规律。结合岩溶涌水类型的不同特点,形成了基于涌水通道精细化探查与分类注浆处治的治理技术,在大坝隧道突涌水灾害治理中取得良好效果。