随着经济的蓬勃发展和基础建设的逐步完善,我国隧道与地下工程得到高度发展,隧道修建所面临的地质环境也日益复杂,强岩溶、大埋深、高地压,地质构造极端复杂,导致突水突泥灾害时常发生,已经成为制约隧道安全快速施工的主要因素之一。对突水突泥孕灾环境认识不清,对突水突泥灾害是否发生判识不准是隧道突水突泥灾害时常发生和难以遏制主要原因。本文以隧道突水突泥致灾系统与充填溶洞间歇型突水突泥灾变机理为主要研究对象,以利万高速齐岳山隧道等众多工程实例为依托,通过文献调研、现场调查、软件研发、理论分析、试验装置研制、室内试验、典型案例分析等手段,开展隧道突水突泥致灾系统、岩溶隧道突水突泥抗突评判方法与软件及隧道充填溶洞间歇型突水突泥临灾判据三个方面研究,获得以下研究成果。(1)调研了我国300余例隧道突水突泥工程案例,揭示我国突水突泥隧道的分布特征,进而将诱发隧道突水突泥灾害的致灾系统划分为3类1 1型,即岩溶类(占比45%,1 42例,包括溶蚀裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型)、断层类(占比28%,86例,包括富水断层型、导水断层型、阻水断层型)和其他成因类(占比27%,84例,包括侵入接触型、构造裂隙型、不整合接触型、差异风化型、特殊条件型),提出了不同类型致灾系统的结构特征、赋存规律以及识别方法,并对每种隧道突水突泥致灾系统类型开展典型案例分析。研究了隧道突水突泥孕灾过程,提出了直接揭露型、渐进破坏型、渗透失稳型、间歇破坏型4种典型隧道突水突泥孕灾模式,表征了隧道突水突泥灾害的孕育、发展过程和致灾特征。(2)提出一种隧道突水突泥抗突评判方法-RBAM法,可用于隧道工程现场突水突泥的快速判识。考虑水动力条件、不良地质、抗突体厚度和围岩特征四个方面因素,构建了突水突泥抗突评判影响因素指标体系,并提出了各影响因素等级划分方法与评分体系,形成了适用于工程现场快速查询与评判的影响因素分级与评分表,阐述了抗突评判方法的实施流程。同时,开发了岩溶隧道突水突泥抗突评判软件,实现了抗突评判的程序化和界面化,简化了评判操作,便于推广和使用。工程案例抗突评判结果与实际相符合,验证了方法的合理性和有效性。(3)研究了隧道首次突水突泥的不同破坏类型及二次突水突泥的致灾因素,分别建立了相应的隧道突水突泥临灾判据。针对弱透水性充填介质整体滑移型破坏,提出了最危险滑动面确定方法,推导了抗突体上作用力计算公式,并采用郎肯主动土压力理论进行了验证。采用弹性梁理论,基于抗拉强度和抗剪强度准则分别建立了完整和含裂隙抗突体的最小安全厚度计算公式,揭示了最危险滑动面和最小安全厚度影响因素。针对强透水性充填介质的渗透失稳型破坏,考虑渗流通道的实际流程弯曲问题,引入了毛管的弯曲度概念,建立了无粘性土管涌的变截面螺旋毛管模型。提出了毛管弯曲度与土体颗粒级配、孔隙率及骨架土体渗透系数的关系,并引入螺旋升角的概念将弯曲度与渗流通道倾角建立联系。针对颗粒骨架孔隙中可动颗粒含量的不同,分别建立了考虑和忽略颗粒间相互作用的可动颗粒启动的临界水头梯度计算公式。针对二次突水突泥,建立了考虑清淤和降雨的二次突水突泥临灾判据,揭示了隧道间歇型突水突泥致灾机理。(4)考虑溶洞充填介质沉积特征影响着隧道突水突泥特性,研制了溶洞充填介质沉积与隧道间歇型突水突泥一体化试验装置。该装置分为搅拌装置、水平流水槽、竖向沉积箱和突水突泥控制装置四部分,主体采用了具有高透明度的有机玻璃材质,实现了充填介质沉积过程和间歇型突水突泥过程的可视化。开展溶洞充填介质沉积试验,揭示了溶洞分层沉积特征及颗粒与距离对充填特性的影响规律。开展了隧道间歇型突水突泥灾变试验,再现了清淤和地下水补给诱发二次(多次)突水突泥孕灾过程,揭示了水头高度、沉积高度和颗粒级配对隧道间歇型突水突泥的影响规律。研究表明:随着水头高度的增加,隧道首次突水突泥发展时间越短,更加猛烈,泥沙涌出量也随之增加;随着泥沙沉积高度增加,隧道突水突泥经历的时间越长;在相同条件下,充填介质颗粒越大,隧道首次突水突泥孕灾时间越长,更易发生间歇型突水突泥。(5)针对贵南高铁朝阳隧道PDK1 70+67]里程间歇型突水突泥灾害案例,系统分析了隧道间歇型突水突泥致灾过程及充填介质特征。研究了充填介质的颗粒级配特征,得到隧道首次突水突泥破坏模式属于渗透失稳型。研究了充填介质颗粒的磨圆度和矿物成分特征,结合突水突泥特性与隧址区水文地质特征,确定了突水突泥的地下水来源,即揭露溶洞与地下河存在水力联系。从地层岩性、地形地貌、岩层倾角、地表降雨、地下水来源揭示了溶洞发育与突水突泥成因,为隧道施工提供有益的参考和借鉴。抗突评判结果显示朝阳隧道PDK170+671里程发生滞后破坏,与工程实际相吻合。