进入21世纪以来,我国经济建设迅猛发展,在西部岩溶地区修建的基础设施越来越多,然而在隧道的修建过程中经常遭遇突水突泥地质灾害,不仅影响施工进度,而且严重危及施工人员的生命安全。本文运用理论分析研究了岩溶隧道突水发生时,隧道掌子面与溶腔之间断续节理防突层的最小安全厚度,运用离散元软件模拟了隧道突水过程中位移场和渗流场的变化。取得了如下研究成果:(1)以岩溶隧道掌子面与岩溶之间的断续节理防突层为研究对象,将节理的破坏分为轴向贯通破坏和岩桥剪切破坏两种模式,建立了裂隙水压劈裂破坏模型和隧道掌子面安全厚度模型。采用断裂力学理论分别分析了这两种模式下节理扩展的临界水压力,并以此为基础,求出其相对应的最小安全厚度公式。(2)在裂纹轴向贯通破坏下,岩溶隧道掌子面断续节理防突最小安全厚度随掌子面前伏岩溶水压力的增大而近似呈线性增大,掌子面防突层最小安全厚度随断续节理排距的增大而减小,且体现出随裂隙排距的增大,最小安全厚度减小的速率逐渐减小。随着断续裂纹与最大主应力之间夹角的增加,掌子面防突层最小安全厚度先增大后减小。(3)在裂纹岩桥剪切破坏模式下,随着主裂纹长度的逐渐增大,岩溶隧道掌子面断续节理防突最小安全厚度也逐渐增大。且两者基本呈线性关系。在既定裂纹密度下,主裂纹长度越大,不仅会导致分支裂纹的增长,还会减少裂隙之间的岩桥距离,则其抵抗水压的能力越低,所需要的抗裂保护区厚度越大,隧道掌子面岩体愈加不稳定。岩溶隧道掌子面断续节理防突最小安全厚度随掌子面前伏岩溶水压力的增大而近似呈线性增大。(4)利用三维离散元软件建立了隧道开挖数值模型,模拟了掌子面突水灾变过程中位移场和渗流场的演化规律,分析了岩溶水压、溶腔位置、节理倾角和溶腔大小对防突层安全厚度的影响。(5)随着节理倾角的增加,防突层岩体中的裂隙长度不断增加,岩体的物理力学性质降低,越容易发生渗水,防突层最小安全厚度也就越来越大;当岩溶水压增加时,在同一内计算时间,各点位移和水压不断增加,流体的最大渗流速度也不断增加,防突层越早发生突水破坏;溶腔规模越大,岩溶水通过裂隙流入防突岩体的水流越多,同一时间内流体扩散范围越广,流体渗流速度越大,各点节理水压越高,掌子面与溶腔之间的防突层岩体越早发生破坏。溶腔与隧道掌子面斜相交时相比,当溶腔与隧道掌子面正交时所需要的安全厚度较大,且在突水破坏过程中,在同一时间内,各点的水压较大。