Investigação numérica das características de entrada e infiltração de água em um túnel que atravessa duas falhas paralelas sobrepostas

Aug 23, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11806 (2023) Citar este artigo

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O influxo de água é um dos principais riscos geológicos que ameaçam a segurança de túneis e outros projetos de engenharia subterrânea. A zona falhada é um dos importantes gatilhos geológicos para tais eventos. Investigações numéricas sobre a evolução do comportamento do fluxo em túneis através de zonas de falha são importantes para a previsão e prevenção deste tipo de riscos geológicos. Neste trabalho, um modelo numérico de investigação com duas falhas paralelas sobrepostas é estabelecido em estágio estacionário de acordo com a teoria da estrutura de falhas das "Três Zonas". O fluxo turbulento rápido na zona de falha é simulado usando o modelo de infiltração Darcy-Brinkman aprimorado, enquanto o fluxo laminar lento na zona rochosa comum é descrito pela equação de Darcy. O efeito da posição relativa e da distância entre a face de escavação do túnel e as falhas paralelas sobrepostas na pressão dos poros da água subterrânea e na velocidade do fluxo é estudado através de vários cenários, e a taxa de entrada de água no túnel é calculada. Os resultados da investigação numérica revelam que enquanto a face do túnel é escavada no núcleo do centro da falha, na zona fraturada, na zona rochosa comum e no centro das falhas sobrepostas, o valor da poropressão à frente da face de escavação aumenta enquanto a velocidade do fluxo diminui. sequencialmente. A taxa de influxo é maior enquanto a face do túnel é escavada até o centro do núcleo central da falha, o que está intimamente relacionado ao alcance da área sobreposta. Os resultados da investigação oferecem uma referência prática para prever o alerta precoce de risco geográfico de entrada de água quando um túnel atravessa duas falhas paralelas sobrepostas.

Com a implementação da iniciativa "Uma Faixa, Uma Rota", a construção de infra-estruturas, como projectos mineiros, de transporte, de conservação de água e de energia hidroeléctrica, no oeste da China, registou progressos rápidos1. Atualmente, a profundidade, o comprimento total e o número total de túneis na China ocupam o primeiro lugar no mundo2,3,4. Infelizmente, a inundação de água e lama tornou-se um risco geológico frequente e importante durante a construção de túneis profundamente enterrados, causando perdas económicas substanciais e vítimas5,6. Evitar acidentes com inundações de água e lama causados ​​por formações geológicas desfavoráveis, como falhas e rochas fraturadas, tornou-se um dos focos da pesquisa em engenharia subterrânea7,8,9. Estudar a lei de evolução do fluxo das águas subterrâneas à medida que a face de escavação de um túnel passa por zonas de falha é útil para prever a taxa de entrada e reduzir significativamente o risco de inundação de água e evitar perdas económicas e acidentes na construção de túneis10.

Os princípios de evolução e manifestações de diferentes canais de entrada de água concluíram que a lei de desenvolvimento dos canais de entrada de água em zonas de falha está intimamente relacionada a fatores como pressão do fluido e vibração de detonação . Alguns estudiosos propuseram uma abordagem de investigação abrangente multifatorial da entrada de água e lama no túnel sob condições de alta temperatura e alta pressão e examinaram com base no modelo macrogeológico de zonas de falha em grande escala . Alguns estudiosos conduziram análises teóricas, testes laboratoriais e simulações numéricas para compreender o comportamento do fluxo de águas subterrâneas e os mecanismos de entrada de água em túneis que atravessam zonas de falha14,15,16. Os métodos de análise teórica incluem a introdução de redes neurais, teoria da catástrofe e outras abordagens não lineares que descrevem a evolução do influxo de águas subterrâneas. Zheng et al.17 propuseram a concepção de “coeficiente de ativação” para túneis cársticos preenchidos e analisaram a evolução da região instável ao longo do tempo. Os testes laboratoriais incluem testes de laboratório, testes de modelo e testes de campo et al. Por exemplo, Jeon e Wang et al.18,19 realizaram testes de modelos físicos sobre a estabilidade da parede rochosa e o desenvolvimento de fraturas, analisaram as influências adversas de falhas e planos de estratificação deficientes na estabilidade e infiltração características da rocha da parede do túnel.