Étude numérique des caractéristiques d'entrée et d'infiltration d'eau dans un tunnel traversant deux failles parallèles superposées

Aug 23, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11806 (2023) Citer cet article

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L’afflux d’eau est l’un des principaux géorisques qui menacent la sécurité des tunnels et autres projets d’ingénierie souterrains. La zone faillée est l’un des déclencheurs géologiques importants de tels événements. Les études numériques sur l'évolution du comportement de l'écoulement dans les tunnels à travers les zones de failles sont importantes pour la prévision et la prévention de ce type de géorisques. Dans ce travail, un modèle d'investigation numérique avec deux failles parallèles superposées est établi à un stade stable selon la théorie de la structure de faille « Trois zones ». L'écoulement turbulent rapide dans la zone de faille est simulé à l'aide du modèle d'infiltration amélioré de Darcy-Brinkman, tandis que l'écoulement laminaire lent dans la zone de roche ordinaire est décrit par l'équation de Darcy. L'effet de la position relative et de la distance entre la face d'excavation du tunnel et les failles parallèles superposées sur la pression interstitielle et la vitesse d'écoulement des eaux souterraines est étudié à travers plusieurs scénarios, et le débit d'eau entrant dans le tunnel est calculé. Les résultats de l'investigation numérique révèlent que tandis que la face du tunnel est creusée dans le noyau central de la faille, la zone fracturée, la zone de roche ordinaire et le centre des failles superposées, la valeur de la pression interstitielle en avant de la face de l'excavation augmente tandis que la vitesse d'écoulement diminue. séquentiellement. Le taux d'afflux est le plus important tandis que la face du tunnel est creusée jusqu'au centre du noyau central de la faille, ce qui est étroitement lié à l'étendue de la zone recouverte. Les résultats de l'enquête offrent une référence pratique pour prédire l'alerte précoce en cas de géorisque d'infiltration d'eau lorsqu'un tunnel traverse deux failles parallèles superposées.

Avec la mise en œuvre de l'initiative « la Ceinture et la Route », la construction d'infrastructures telles que des projets miniers, de transport, de conservation de l'eau et d'hydroélectricité dans l'ouest de la Chine a fait des progrès rapides1. À l'heure actuelle, la profondeur, la longueur totale et le nombre total de tunnels en Chine se classent au premier rang mondial2,3,4. Malheureusement, l'infiltration d'eau et de boue est devenue un géorisque fréquent et majeur lors de la construction de tunnels enfouis en profondeur, entraînant des pertes économiques et des victimes substantielles5,6. Éviter les accidents d’infiltration d’eau et de boue causés par des formations géologiques défavorables telles que des failles et des roches fracturées est devenu l’un des objectifs de la recherche en ingénierie souterraine7,8,9. L’étude de la loi d’évolution de l’écoulement des eaux souterraines au fur et à mesure que le front de taille d’un tunnel traverse des zones de failles est utile pour prédire le débit entrant, réduire considérablement le risque d’infiltration d’eau et éviter les pertes économiques et les pertes liées à la construction du tunnel10.

Les principes d'évolution et les manifestations des différents canaux d'arrivée d'eau et ont conclu que la loi de développement des canaux d'arrivée d'eau dans les zones de failles est étroitement liée à des facteurs tels que la pression du fluide et les vibrations de dynamitage11. Certains chercheurs ont proposé une approche d'investigation globale multifactorielle de l'infiltration d'eau et de boue dans le tunnel dans des conditions de température et de pression élevées et ont examiné la situation sur la base du modèle macrogéologique de zones de failles à grande échelle12,13. Certains chercheurs ont mené des analyses théoriques, des tests en laboratoire et des simulations numériques pour comprendre le comportement de l'écoulement des eaux souterraines et les mécanismes d'afflux d'eau des tunnels qui traversent des zones faillées14,15,16. Les méthodes d'analyse théorique incluent l'introduction du réseau neuronal, de la théorie des catastrophes et d'autres approches non linéaires qui décrivent l'évolution des afflux d'eaux souterraines. Zheng et al.17 ont proposé la conception d'un « coefficient d'activation » pour les tunnels karstiques remplis et ont analysé l'évolution des régions instables au fil du temps. Les tests de laboratoire comprennent les tests en laboratoire, les tests sur modèle et les tests sur le terrain, etc. Par exemple, Jeon et Wang et al.18,19 ont effectué des tests sur modèles physiques sur la stabilité des parois rocheuses et le développement des fractures, et ont analysé les influences négatives des failles et des mauvais plans de litage sur la stabilité et les caractéristiques d'infiltration de la roche des parois du tunnel.