随着交通基础设施建设重心逐渐向中西部推进,复杂多变的地质环境使隧道及地下工程建设过程中不可避免的遇到断层、溶洞、暗河等不良地质构造,极易发生塌方、突水、涌泥等灾害,严重威胁施工人员生命安全,造成设备报废、工期延误,给国家造成严重的经济损失。其中,断层是隧道重大突水突泥灾害的主要致灾构造之一,与研究相对成熟的煤矿突水、岩溶突水等灾变演化规律相比,断层破碎带突泥机理的研究较欠缺。因此,研究富水断层隧道施工过程中突泥机理,实现对富水断层隧道突泥灾害的有效预警和防控,具有重要的实践意义。本文以泥质充填富水断层破碎带的突泥机理为主要研究对象,以江西省吉莲高速永莲隧道F2破碎带突泥灾害为工程依托,通过室内试验、理论分析、模型试验、数值计算等研究方法,结合工程应用,深入开展了泥质富水断层破碎带充填介质特性研究,分析了施工扰动下隧道突泥灾变演化过程,建立了工程预警机制,所得研究成果具有一定理论价值及较强的工程意义,主要研究结论如下:(1)调研了隧道突水突泥灾害的影响因素,揭示了富水断层隧道突泥灾害的发生条件及主控因素;基于断层破碎带的地质力学特征、水文地质特征和内部充填介质特征等,总结了不同断裂构造形式下断层带的充水、导水或突水规律,建立了富水断层破碎带隧道力学理论模型。(2)开展了粘土类断层充填介质流体本构与流动特性测定试验,得到了粘土类断层充填介质流体流动参数与含水率、温度的关系方程,建立了与含水率、温度相关的粘土类充填介质流体本构模型,并通过模型试验和数值模拟验证了关系方程的通用性、合理性及粘土类充填介质流体本构模型的正确性。(3)研制了由模型试验架、数控液压加载系统、稳压供水系统以及多元信息监测系统等组成的大型三维富水断层破碎带隧道模型试验系统,通过开展富水断层破碎带隧道相似模型试验,揭示了隧道突泥灾害发生过程中围岩的应力及变形规律,并获得了温度、位移、土压力、应变、涌泥量等多元信息的演化特征,模拟再现了隧道突泥灾害的灾变演化过程。(4)通过流固耦合数值分析,对富水断层隧道开挖过程中的突泥问题进行了探索,提出了隧道突泥灾变的临界判据及突泥临界距离和临界水压力两个重要特征参数,对隧道突泥灾害预测预报具有重要意义。分析了断层内水压力、爆破开挖效应对临界突泥距离的影响及突泥量随时间的变化规律,并通过工程现场数据验证了流固耦合数值分析结果正确性。(5)建立了隧道施工过程中实时监测信息反馈系统及应急对策,研究了突泥灾害中避灾逃生路线,确定了优化逃生路径,完善了突泥灾害预警系统,制定了防灾救护措施,对富水断层破碎带隧道施工中突泥灾害的防治具有重要的指导意义。