Investigación numérica de las características de entrada y filtración de agua en un túnel que cruza dos fallas paralelas superpuestas

Aug 23, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11806 (2023) Citar este artículo

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La entrada de agua es uno de los principales riesgos geológicos que amenazan la seguridad de los túneles y otros proyectos de ingeniería subterráneos. La zona de falla es uno de los desencadenantes geológicos importantes de tales eventos. Las investigaciones numéricas sobre la evolución del comportamiento del flujo en túneles a través de zonas de fallas son importantes para la predicción y prevención de este tipo de riesgos geológicos. En este trabajo, se establece un modelo de investigación numérico con dos fallas paralelas superpuestas en una etapa estable de acuerdo con la teoría de la estructura de fallas de "Tres Zonas". El rápido flujo turbulento en la zona de la falla se simula utilizando el modelo de filtración mejorado de Darcy-Brinkman, mientras que el flujo laminar lento en la zona de roca ordinaria se describe mediante la ecuación de Darcy. Se estudia el efecto de la posición relativa y la distancia entre la cara de excavación del túnel y las fallas paralelas superpuestas sobre la presión de poro y la velocidad del flujo del agua subterránea a través de varios escenarios, y se calcula la tasa de entrada de agua al túnel. Los resultados de la investigación numérica revelan que mientras la cara del túnel se excava en el núcleo del centro de la falla, la zona fracturada, la zona de roca ordinaria y el centro de las fallas superpuestas, el valor de la presión de poro delante de la cara de excavación aumenta mientras que la velocidad del flujo disminuye. secuencialmente. La tasa de entrada es mayor mientras la cara del túnel se excava hasta el centro del núcleo del centro de la falla, lo que está estrechamente relacionado con el rango del área superpuesta. Los resultados de la investigación ofrecen una referencia práctica para predecir la alerta temprana del riesgo geológico de entrada de agua cuando un túnel cruza dos fallas paralelas superpuestas.

Con la implementación de la iniciativa "La Franja y la Ruta", la construcción de infraestructuras como minería, transporte, conservación de agua y proyectos hidroeléctricos en el oeste de China ha logrado rápidos avances1. En la actualidad, China ocupa el primer lugar en el mundo en profundidad, longitud total y número total de túneles2,3,4. Desafortunadamente, la irrupción de agua y lodo se ha convertido en un peligro geológico importante y frecuente durante la construcción del túnel profundamente enterrado, causando importantes pérdidas económicas y víctimas5,6. Evitar accidentes por irrupción de agua y lodo causados ​​por formaciones geológicas desfavorables, como fallas y rocas fracturadas, se ha convertido en uno de los focos de la investigación en ingeniería subterránea7,8,9. Estudiar la ley de evolución del flujo de agua subterránea a medida que el frente de excavación de un túnel pasa a través de zonas de falla es útil para predecir la tasa de afluencia, reducir significativamente el riesgo de irrupción de agua y evitar pérdidas económicas y víctimas en la construcción de túneles10.

Los principios de evolución y manifestaciones de diferentes canales de entrada de agua y concluyeron que la ley de desarrollo de los canales de entrada de agua en zonas de falla está estrechamente relacionada con factores como la presión del fluido y la vibración de las voladuras11. Algunos académicos han propuesto un enfoque de investigación integral de múltiples factores de la irrupción de agua y lodo en un túnel en condiciones de alta temperatura y alta presión y lo han examinado basándose en el modelo macrogeológico de zonas de fallas a gran escala12,13. Algunos académicos han realizado análisis teóricos, pruebas de laboratorio y simulaciones numéricas para comprender el comportamiento del flujo de agua subterránea y los mecanismos de entrada de agua de los túneles que cruzan zonas falladas14,15,16. Los métodos de análisis teóricos incluyen la introducción de redes neuronales, teoría de catástrofes y otros enfoques no lineales que describen la evolución del flujo de entrada de agua subterránea. Zheng et al.17 propusieron la concepción de "coeficiente de activación" para túneles kársticos llenos y analizaron la evolución de la región inestable a lo largo del tiempo. Las pruebas de laboratorio incluyen pruebas de laboratorio, pruebas de modelo y pruebas de campo, etc. Por ejemplo, Jeon y Wang et al.18,19 llevaron a cabo pruebas de modelos físicos sobre la estabilidad de la roca de la pared y el desarrollo de fracturas, analizaron las influencias adversas de las fallas y los planos de lecho deficientes sobre la estabilidad y la filtración característica de la roca de la pared del túnel.

La predicción de la entrada de agua en los túneles, particularmente en masas rocosas discontinuas, sigue siendo uno de los problemas más desafiantes que enfrenta el proyecto de construcción de túneles, lo que puede tener consecuencias devastadoras y generar obstáculos en la construcción de túneles. Existen varios métodos analíticos, empíricos y numéricos que pueden usarse para determinar la tasa de entrada de agua subterránea a los túneles. El método actual de estimación del caudal de entrada de agua se basa principalmente en soluciones analíticas; sin embargo, no existe un método analítico integral y único y la precisión de la predicción de estos métodos es baja, especialmente en zonas de falla con una característica altamente permeable20. Es difícil calcular la tasa de entrada de agua en diferentes espacios y tiempos de construcción del túnel, por lo que no es adecuado para el cálculo y predicción de la entrada de agua local del túnel21. Siguiendo la mecánica de daño clásica y la mecánica de filtración, Tang et al.22 llevaron a cabo experimentos para comprender la evolución de la filtración durante la falla de la roca, establecieron un modelo de simulación numérica para la entrada de agua inducida por la falla de la roca y estudiaron la evolución de la falla de la roca causada por la filtración. Al mismo tiempo, la simulación numérica es un medio eficaz para analizar el mecanismo de chorros de agua y de lodo en túneles; por ejemplo, se han aplicado modelos elástico-plásticos y modelos de daños basados ​​en FLAC y PFC para simular el proceso de entrada de agua subterránea en túneles. con entornos geológicos complejos23 y áreas de fallas ricas en agua a alta presión. Los académicos también han establecido modelos dinámicos para la excavación de túneles en los que se incorporan la perturbación de la excavación y la presión del fluido para simular la ley de desarrollo de los canales de entrada de agua causada por la inestabilidad de la roca circundante en túneles kársticos o de fallas24,25,26.

La razón por la cual el desastre geológico de la irrupción de agua y lodo es difícil de contener cuando el túnel pasa a través de la compleja zona de falla es que el mecanismo de acoplamiento fluido-estructura en el proceso de inestabilidad de la roca circundante y la irrupción de agua causada por la excavación y descarga del túnel aún está poco claro. Debido a las complejas condiciones geológicas de ingeniería y las condiciones dinámicas de excavación, es importante conocer la ley de evolución de la irrupción del agua en un túnel bajo el impacto de fallas compuestas, como fallas paralelas superpuestas. Utilizando la teoría de la estructura de fallas de "Tres Zonas", se establecieron dos tipos de modelos numéricos en las dos fallas paralelas resolviendo el modelo de filtración IDB para simular la entrada no lineal de agua subterránea en un túnel. Este trabajo examinó el desarrollo de la presión de poro y la velocidad del flujo y analizó cómo influyen en la tasa de entrada de agua al túnel, a diferentes distancias entre la cara del túnel y las fallas paralelas.

Una falla generalmente muestra un rumbo y un ancho determinados, lo que indica ciertas características de zonificación. Cuando se fija la profundidad enterrada del túnel, la zonificación de la zona de falla y las diferentes características de cada zona juegan un papel decisivo en la estabilidad de la roca circundante y en el desastre de la entrada de agua en el túnel. Como se muestra en la Fig. 1, cuando se excava un túnel cruzando una sola falla, pasa a través de cinco distritos, es decir, la zona de roca ordinaria, la zona fracturada, el núcleo del centro de la falla, nuevamente la zona fracturada y la zona de roca ordinaria. que es la estructura de falla denominada "Tres Zonas".

Esquema de la estructura de falla de “Tres Zonas”.

Específicamente, en esta estructura de falla de "Tres Zonas", las zonas de roca ordinaria fuera de las zonas fracturadas tienen las mismas propiedades que la roca anfitriona, que no solo está influenciada por la tensión tectónica y la construcción del túnel, por lo que no se explica en detalle. Aquí, pero solo las propiedades de la zona del centro de la falla, la zona fracturada se analizan de la siguiente manera.

La zona central de la falla es la zona central de la falla. Debido a la mayor concentración de tensiones, se consume la mayor parte de la energía y la deformación en el movimiento tectónico geológico de la falla. En la zona del centro de la falla se desarrollan varias rocas de falla y fracturas asociadas, y el macizo rocoso es principalmente de estructura cataclástica. El desarrollo de las fracturas asociadas que con diferentes direcciones y patrones formarán el canal de migración de aguas subterráneas y cortarán el macizo rocoso, aumentando la permeabilidad y conductividad del agua de la falla. En el núcleo del centro de falla, las fracturas a menudo tienen una alta permeabilidad debido a que no hay relleno de materiales en condiciones normales.

La zona fracturada conecta el núcleo del centro de la falla y la zona de roca ordinaria como una transición. La distribución de grietas y planos débiles esparcidos en la zona fracturada se ve afectada por la tensión in situ, la clasificación de fallas, las características litologías y la profundidad del túnel enterrado. Dado que las grietas no suelen estar completamente rellenas, también pueden tener una alta permeabilidad. Según el grado de desarrollo de la fractura, se puede subdividir en zona fracturada por falla severa, zona fracturada por falla general y zona fracturada por falla leve. Desde la zona de fractura severa de la falla hasta la zona de fractura leve, la distancia desde la zona del centro de la falla aumenta, la resistencia estructural y la densidad de desarrollo de la fractura disminuyen y la permeabilidad pasa gradualmente a las características ordinarias de la roca circundante.

COMSOL Multiphysics (en lo sucesivo, COMSOL), con un rendimiento informático eficiente y una excelente capacidad de análisis de acoplamiento de campos múltiples, puede realizar una simulación numérica de alta precisión, un acoplamiento arbitrario completo de múltiples campos, directo y bidireccional en tiempo real. Se puede utilizar cualquier función independiente para controlar los parámetros de resolución. Las propiedades del material, las condiciones de contorno y las cargas apoyan el control de los parámetros. Puede resolver los problemas de interacción flujo-estructura y acoplamiento de múltiples flujos. En este trabajo, la función de importación de módulos de COMOSOL se utiliza para importar desde CAD el modelo de túnel de falla compuesto paralelo enterrado profundamente.

La longitud total del túnel de desvío de Longjinxi en la provincia china de Fujian es de 13.842 km. La mayor dificultad y peligro es la entrada masiva de agua durante la construcción. Según el informe del estudio y la situación de la investigación de campo, el factor de desastre de la entrada de agua del túnel son fallas, que no pertenecen a la entrada de agua común en los túneles kársticos. Por ejemplo, el rumbo de la falla F61 es perpendicular al eje del túnel, con un ángulo de buzamiento de 42°, los anchos de la zona central y la zona de daño en ambos lados son 3 my 20 m, respectivamente. El ancho de la base del frente del túnel es de 3 m y la zona semicircular superior tiene un diámetro de 3,9 m en la sección transversal. La dimensión del modelo de simulación es 160 m × 100 m × 100 m en las direcciones del eje X, el eje Y y el eje Z, siendo el eje X la dirección del túnel. La sección transversal del túnel se simplifica a un círculo con un diámetro de 3,9 m. La profundidad del túnel es de 350 m y el nivel del agua está a 50 m por debajo de la superficie. Las dos fallas son paralelas y perpendiculares a la dirección de avance del túnel, como se muestra en la Fig. 2. La zona A es la zona de roca ordinaria, la zona B es la zona fracturada, la zona C es el núcleo del centro de la falla y la zona D es la falla superpuesta. área. El ancho del núcleo del centro de falla es d1 = 3 m, el ancho de la zona fracturada es d2 = 20 m y el ancho de la zona superpuesta es d3 = 10 m.

Modelo de investigación numérica de un túnel que cruza dos fallas paralelas. Zona A: la zona de roca ordinaria; zona B: la zona fracturada de fallas; zona C: el núcleo del centro de falla; zona D: el área de falla superpuesta.

El núcleo del centro de falla y la zona fracturada tienen una porosidad de 0,5. Basado en el modelo de fallas paralelas, se estudia el impacto del paso de avance del túnel en la entrada de agua al túnel mientras se cruzan dos fallas paralelas. Específicamente, se diseñan dos fallas paralelas con una zona de daño superpuesta, y se simula el proceso de túnel desde que ingresa a la falla hasta que pasa a través de ella. Uno de los parámetros más importantes en el cálculo del flujo de agua que ingresa al túnel es la permeabilidad de la roca circundante. Suponiendo que la roca circundante es un medio poroso y que la permeabilidad del área de falla superpuesta se ajusta al principio de superposición, se estudia la evolución del campo de filtración en diferentes condiciones de trabajo. Siete casos diseñados en este estudio se proporcionan en la Tabla 1, en la que S pertenece a la distancia desde la cara de excavación del túnel hasta el centro de fallas paralelas superpuestas, y "-" indica que la cara de excavación del túnel no ha pasado por el centro de falla superpuesta paralela y viceversa.

En este trabajo, bajo la premisa de una investigación suficiente del sitio del túnel sobre las condiciones geológicas e hidrogeológicas de ingeniería, se utiliza COMSOL para resolver la ecuación de Darcy para el flujo laminar lento en la zona de roca ordinaria y la ecuación mejorada de Brinkman para el flujo no lineal rápido en la zona de roca ordinaria. zona de falla para imitar el comportamiento del flujo de agua subterránea en la pared de roca del túnel que cruza dos fallas paralelas superpuestas. El campo de flujo de agua subterránea se analizó en estado estacionario.

Suponiendo que la zona de roca ordinaria es un medio poroso, el flujo laminar lento en el macizo rocoso de la zona de roca ordinaria satisface una ecuación de Darcy como,

donde V es la velocidad del flujo, \(\rho\) es la densidad del fluido, Q es la tasa de entrada de agua, k es la permeabilidad de la pared de roca, P es la presión de poro, \(\mu\) es el coeficiente de viscosidad dinámica , y D es el parámetro de posición.

La zona de roca ordinaria tiene una condición límite de presión que satisface la siguiente condición.

El valor de P en el eje central del túnel (Z = 0) se establece en 3 MPa según la profundidad del agua subterránea enterrada. Los límites superior, posterior, izquierdo y derecho de este modelo numérico son límites de afluencia, es decir, las condiciones de recarga de la fuente del flujo de agua subterránea. Se supone que existen suficientes condiciones de recarga de agua de lluvia y el límite de entrada se establece como condiciones de límite de presión; la presión de poro del límite cumple la condición de P0 = ρg(300-Z). Suponiendo que la pared del túnel dentro de 1 m detrás de la cara de trabajo no ha tomado medidas de soporte y está en contacto con la atmósfera, la presión de poro en la cara de trabajo y la pared del túnel 1 m detrás es 0.

Excepto por la cara de trabajo y el perímetro del túnel dentro de 1 m detrás, la pared del túnel soportada en el perímetro del túnel, el límite inferior y frontal del modelo están todos configurados como impermeables, lo que satisface la siguiente ecuación.

La velocidad del flujo de los límites superior y posterior, izquierdo y derecho en la zona fracturada y el núcleo del centro de falla se puede expresar como:

Supongamos que I es la matriz identidad, \(\varepsilon_{p}\) es la porosidad de la pared de roca y F es la fuerza del cuerpo, el flujo turbulento con alta velocidad de flujo en la zona fracturada y el núcleo del centro de falla se puede resolver mediante la ecuación de Brinkman como se muestra a continuación.

Se llevó a cabo una prueba de presión de agua en el campo en las proximidades de la falla F61 del túnel de desvío de Longjingxi. La ley de variación de la permeabilidad de la zona de roca ordinaria y de la zona de falla se analiza según los datos de las pruebas. Según los resultados de la prueba de presión de agua, la relación entre la permeabilidad k y la distancia x desde el centro del núcleo del centro de falla se puede ajustar mediante una función gaussiana. Las permeabilidades en la zona de la falla se pueden expresar resolviendo el modelo de filtración mejorado de Darcy-Brinkman, que es el siguiente utilizando la ecuación de Gauss.

donde kf es el valor de la permeabilidad en el núcleo del centro de falla y en este trabajo es kf = 1 × 10−11 m2, kr es el valor constante de la permeabilidad en la zona de roca ordinaria y en este trabajo es kr = 1 × 10−16 m2 .

El flujo de agua subterránea sigue la ecuación de Darcy en la zona de roca ordinaria, mientras que sigue la ecuación de Brinkman mejorada en la zona de fractura de falla. La ecuación gaussiana de permeabilidad se logra en el software COMSOL. Además, según las teorías de conservación de masa y equilibrio de presión, P y V son continuos en los límites del modelo como se muestra a continuación.

Combinando las Ecs. (1) a (8), se ha realizado el modelo de filtración de Darcy-Brinkman mejorado mediante la obtención de la teoría de la estructura de fallas de "Tres Zonas", utilizándose la abreviatura de “modelo de filtración BID” en el siguiente trabajo.

(1) Resultados de la investigación numérica.

Mientras se excava la cara del túnel a 10 m de distancia del límite izquierdo de la zona fracturada de la Falla 1 (S = −48), la investigación numérica del flujo de agua resulta en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=−48 ) se muestran en la Fig. 3 de la siguiente manera.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = −48 m. (a) y (b): sección XZY=0; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): sección YZX=−48.

Como se muestra en los contornos P, el valor de presión de poro (P) aumenta rápidamente desde cero en la cara del túnel hasta un cierto valor mientras D aumenta. En la sección de XZY=0, los contornos P tienen aproximadamente una sección transversal ovalada, paralela al eje Z en el eje largo. Adyacente a la cara de la excavación, los valores del gradiente de presión de poro tanto en las direcciones del eje X positivo como en el eje Z negativo son ligeramente mayores que en la dirección del eje Z positivo. En la sección XYZ=0, los contornos P muestran una distribución simétrica a lo largo del eje X, y el gradiente de presión de poro aumenta mientras la cara de excavación está más cerca de las fallas superpuestas. En la sección de YZX=−48, los contornos P también muestran una distribución simétrica a lo largo del eje Y, y muestran una circular adyacente al perímetro del túnel, luego se muestran gradualmente elípticas hacia afuera, con el eje largo paralelo al eje Y. El valor de P alrededor del perímetro del túnel es pequeño y aumenta hasta un valor fijo a medida que aumenta la distancia desde el túnel. Se puede ver en los contornos de velocidad que la velocidad general del flujo dentro del rango del modelo es pequeña, el máximo es de aproximadamente 10-7 m/s. La velocidad del flujo disminuye rápidamente hacia afuera desde un valor grande en y dentro de 1 m detrás de la cara de la excavación. En las secciones de XZY=0 y XYZ=0, los campos de flujo de agua subterránea en las proximidades del frente de trabajo son aproximadamente simétricos al eje X respectivamente, el contorno V muestra una forma aproximadamente elíptica, con un valor máximo de 2,80 × 10− 7 m/s y 2,53 × 10−7 m/s. En la sección YZX=−48, el contorno de velocidad del flujo en las proximidades del perímetro del túnel es aproximadamente circular, con un valor máximo de 2,93 × 10−7 m/s. El contorno P en las proximidades del frente de excavación se disipa, formando una zona de baja permeabilidad. La razón es que el frente de trabajo del túnel pasa justo por la zona de roca ordinaria.

(2) Análisis de evolución de la presión de poro y la velocidad del flujo.

La Tabla 2 revela la información del rango de la encuesta y el número de puntos de medición, mientras que S = −48. La Figura 4 muestra los datos de evolución de P y V que se monitorearon dentro de los 30 m por delante del frente de la excavación en función de la distancia desde el frente del túnel (D).

Evolución de la presión de poro y velocidad del flujo 30 m por delante del frente de excavación (S = −48 m).

La Figura 4a revela que mientras Y = ± 3,9 m, las presiones de poro son similares debido a la misma distancia desde el frente de excavación, que aumentan gradualmente desde aproximadamente 1,90 MPa aproximadamente en el frente de trabajo a 3 MPa a medida que D aumenta (0 < D ≤ 10 metro). Mientras que Y = ± 1,95 my 0, la presión de poro aumenta primero rápidamente y luego lentamente desde 0 en la cara de trabajo dentro de los 10 m de frente, finalmente se estabiliza en alrededor de 3 MPa. Mientras que 0 < D ≤ 5 m, las presiones de poro en Y = ± 3,9 m son mayores que en Y = ± 1,95 my 0. Mientras que 5 m ≤ D ≤ 10 m, las presiones de poro son casi las mismas. En general, cuando S = −48 m, P en la cara de trabajo es pequeña y aumenta rápidamente y luego lentamente a medida que D aumenta aún más.

La Figura 4b revela que mientras Y = ± 3,9 m, V disminuye rápidamente hacia adelante (0 < D ≤ 5 m) y luego lentamente hacia lo profundo de la formación de la pared de roca (5 < D ≤ 10 m), luego se acerca a 0. El valor máximo de V (Vmax) aparece en el frente de excavación, que equivale a 4,17 × 10−8 m/s cuando Y = + 3,9 m e igual a 3,93 × 10−8 m/s cuando Y = −3,9 m, respectivamente . Mientras que Y = 1,95 m, 0 y −1,95 m, Vmax es 2,37 × 10−7 m/s, 1,02 × 10−7 m/s y 2,43 × 10−7 m/s respectivamente en el frente del túnel. La velocidad del flujo disminuye rápidamente hacia adelante (0 < D ≤ 1 m) y luego disminuye lentamente (1 < D ≤ 5 m), luego sigue disminuyendo hasta 0 (5 < D ≤ 10 m). Mientras 0 < D ≤ 5 m, los valores de V mientras Y = 1,95 m, 0 y −1,95 m son mucho mayores que los de Y = ± 3,9 m. Mientras que D > 5 m dentro de la formación, el valor de V aumenta al aumentar Y en general. En general, el valor de V es grande en una distancia pequeña por delante, pero disminuye rápidamente y luego tarde a medida que la distancia aumenta. Todas las velocidades del flujo fluctúan hacia arriba y hacia abajo adyacentes a D = 16 my D = 24 m. A lo largo del eje Y, el valor de V más profundamente en los cimientos es mucho menor que el de la sección del túnel.

(1) Resultados de la investigación numérica.

Cuando se excava la cara del túnel hasta el centro de la zona fracturada de la Falla 1 (S = −28), los resultados de la investigación numérica del flujo de agua en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=−28) se muestran en la Fig. 5. de la siguiente manera.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = −28 m. (a y B). XZY=0 sección; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): sección YZX=−28.

Como se muestra en la Fig. 5a,c,e, mientras la cara del túnel se excava hasta el centro de la zona fracturada izquierda de la Falla 1 (S = −28 m), el valor de P en la cara de excavación y alrededor del perímetro del túnel es 0 , que aumenta gradualmente hacia afuera y alcanza un valor fijo. En la sección XZY=0, en las proximidades de la cara de excavación del túnel, el gradiente de presión de poro en la dirección positiva del eje X es ligeramente mayor que en el eje Z. El gradiente detrás de la cara de la excavación es pequeño, luego aumenta a un valor fijo con la profundidad de enterramiento desde la cara de la excavación. En la sección de XYZ=0, el contorno P presenta una distribución ovalada con el eje mayor paralelo al eje X. En las proximidades de la cara de la excavación, el gradiente de presión en el eje X es ligeramente mayor que en el eje Y. En la sección YZX = −28 m, la distribución de presión cambia paso a paso desde una distribución circular hacia afuera a una sección transversal aproximadamente ovalada, y el eje largo es paralelo al eje Y. Luego, el valor de la presión de poro aumenta hasta alcanzar finalmente un valor fijo.

Como se muestra en la Fig. 5b, d, f, los contornos de velocidad, las isolíneas y los diagramas vectoriales muestran que cuando S = −48, el valor de V en la cara del túnel y dentro del rango de 1 m es significativo, mientras que el agua subterránea fluye hacia el Frente de excavación del túnel. En la sección XZY=0, el contorno de velocidad del flujo presenta una distribución de arco circular y se desplaza gradualmente hacia el eje Z positivo, con un máximo de 1,07 × 10−3 m/s. En la sección XYZ=0, el contorno de velocidad del flujo presenta una distribución ovalada alrededor del eje X, el contorno de velocidad se difunde hacia afuera en una distribución de arco circular y el valor máximo de v es 9,82 × 10−4 m/s. En la sección YZX=−28, el contorno de velocidad del flujo alrededor de la circunferencia del túnel tiene una distribución aproximadamente circular, con un máximo de 9,62 × 10−4 m/s. Se presenta un área de baja presión en y alrededor del perímetro del túnel a 1 m detrás del frente de excavación, mientras que el agua subterránea fluye hacia el frente de excavación del túnel.

(2) Análisis y resumen

La Tabla 3 revela la información del rango de la encuesta y el número de puntos de medición, mientras que S = −28. La Figura 6 muestra los datos de evolución de P y V que se monitorearon dentro de los 30 m por delante del frente de excavación en función de D.

Presión de poro y velocidad del flujo 30 m delante del frente de excavación (S = −28).

La Figura 6a muestra que mientras Y = ± 3,9 m, los contornos de P son similares debido a la misma distancia desde el frente de excavación, que aumentan gradualmente de 2,10 MPa aproximadamente en el frente de trabajo a 3 MPa a medida que D aumenta (0 < D ≤ 5 m). . Mientras que Y = ± 1,95 my 0, la presión de poro aumenta primero rápidamente y luego lentamente desde 0 en la cara de trabajo dentro de los 5 m de frente, estabilizándose finalmente en alrededor de 3 MPa. Mientras que 0 < D ≤ 5 m, las presiones de poro cuando Y = ± 3,9 m son mayores que cuando Y = ± 1,95 my 0. Mientras que 5 m ≤ D ≤ 10 m, la ley de evolución de las presiones de poro es casi la misma. En general, cuando S = −48 m, P en la cara de trabajo es pequeña y aumenta rápidamente y luego lentamente a medida que aumenta la distancia. Mientras que 0 < D ≤ 1,5 m, el valor de la presión de poro cuando Y = 3,9 m es ligeramente mayor que cuando Y = −3,9 m.

La Figura 6b revela que mientras Y = ± 3,9 m, V disminuye rápidamente hacia adelante (0 < D ≤ 1,5 m) y luego desciende lentamente hacia la formación (1,5 < D ≤ 7 m), luego cambia ligeramente acercándose a 0. El máximo Los valores (Vmax) aparecen cerca de la cara del túnel cuando D = 1 m y D = 1,5 m, que son 2,21 × 10−4 m/sm/s en Y = + 3,9 m y 3,04 × 10−4 m/s en Y = −3,9 m, respectivamente. Mientras Y = 1,95 m, 0 y −1,95 m, V aumenta rápidamente adelante (0 < D ≤ 1 m), y luego disminuye lentamente (1 < D ≤ 6 m), luego sigue disminuyendo hasta 0 (6 < D ≤ 10 metros). mientras 0 < D ≤ 7 m, los valores de V mientras Y = ± 1,95 my 0 son mucho mayores que los de Y = ± 3,9 m. Mientras D > 7 m, los valores de V son casi iguales y gradualmente se aproximan a 0.

(1) Resultados de la investigación numérica

Mientras que la cara del túnel se excava hasta el centro del núcleo del centro de falla de la Falla 1 (S = −16.5), los resultados de la investigación numérica del flujo de agua en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=−16.5) se muestran en Fig. 7 como sigue.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = −16,5 m. (a) y (b): sección XZY=0; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): YZX=−16,5 sección.

Como se muestra en los contornos de presión de poro, P aumenta rápidamente desde un valor bajo en la cara de trabajo hasta un cierto valor máximo con los aumentos de D. En la sección de XZY=0, el contorno de P es elíptico y paralelo al eje X en la eje largo y cambia paso a paso a una distribución rectangular aproximada. La zona de baja presión es significativamente mayor que cuando el túnel se excava a S = −48 y S = −28. En la sección de XYZ=0, el gradiente de presión de poro a lo largo del eje X es mayor que a lo largo del eje Y, y P lejos de la cara del túnel es constante. En la sección YZX=−16.5, P se distribuye en una distribución circular. La presión aumenta gradualmente desde el perímetro del túnel hacia los cimientos más profundos. El patrón de distribución de presión se convierte en una distribución ovalada paralela al eje Z en el eje longitudinal.

Se puede ver en los contornos de velocidad del flujo que el valor de V dentro de 1 m por delante del frente de la excavación es comparativamente grande y luego disminuye, mientras el agua subterránea fluye hacia el túnel. En la sección XZY=0, el contorno V es simétricamente elíptico con respecto al eje X y paralelo al eje Z en el eje largo, y el valor máximo de V es 0,015 m/s. En la sección de XYZ=0, el contorno V muestra una distribución ovalada paralela al eje Y en el eje mayor, y el valor máximo de V es 0,0126 m/s. En la sección YZX=−16.5, el contorno de velocidad del flujo muestra una distribución circular, con un máximo de 0.0119 m/s. En el caso de fallas paralelas, mientras la cara del túnel se excava en el centro del núcleo del centro de falla de la Falla 1, el agua subterránea fluye hacia el túnel. Esto se debe a que la presión de poros en y 1 m detrás de la cara de la excavación se disipa, formando un área de baja presión. La disminución de la presión de poro conduce a un aumento del gradiente hidráulico y es más probable que el agua subterránea fluya hacia las proximidades de la cara del túnel.

(2) Análisis y resumen

La Tabla 4 revela la información del rango de la encuesta y el número de puntos de medición, mientras que S = −16,5. La Figura 8 muestra los datos de evolución de P y V que se monitorearon dentro de los 30 m por delante del frente de excavación como D.

Presión de poro y velocidad del flujo dentro de los 30 m por delante del frente de excavación (S = −16,5).

La Figura 8a muestra que mientras Y = ± 3,9 m, las presiones de poro similares debido a la misma distancia desde la cara de la excavación son 1,41 MPa y 1,46 MPa, por separado. El valor de P aumenta a medida que aumenta D (0 < D ≤ 10 m) y finalmente alcanza 3 MPa. Mientras Y = ± 1,95 m y 0, los valores de presión de poro en la cara de trabajo son todos 0. Mientras que 0 < D ≤ 5 m, la presión de poro aumenta rápidamente y luego lentamente desde 0 MPa en y dentro de los 5 m delante de la cara de trabajo. cara, estabilizándose finalmente en alrededor de 3 MPa cuando D > 5 m. Mientras que 0 < D ≤ 5 m, los valores de P cuando Y = ± 3,9 m son mayores que cuando Y = ± 1,95 m y 0.

La Figura 8b revela que mientras Y = ± 3,9 m, V disminuye rápidamente hacia adelante (0 < D ≤ 6 m) y luego disminuye lentamente hacia la formación profunda (6 < D ≤ 10 m), luego se acerca a 0. Vmax aparece en y dentro de 0,5 m por delante del frente de excavación, que son 0,0042 m/s y 0,0037 m/s, por separado. Cuando Y = ± 1,95 my 0, V aumenta rápidamente entre 0,5 y 1 m primero y luego disminuye rápidamente hacia adelante (0 < D ≤ 6 m). Los valores de Vmax aparecen en D = 0,5 m, 0,5 m y 1,0 m, respectivamente, que son 0,0081 m/s, 0,0052 m/s y 0,0077 m/s. Mientras que 0 < D ≤ 5 m, los valores de V cuando Y = 1,95 m, 0 y −1,95 m son mucho mayores que cuando Y = ± 3,9 m. Si bien D > 5 m en la formación profunda, son casi iguales.

(1) Resultados de la investigación numérica

Si bien la cara del túnel llegó al centro de la zona de superposición de las fallas paralelas (S = 0), los resultados de la investigación numérica del flujo de agua en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=0) se muestran en la Fig. 9 como seguir.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = 0. (a) y (b): sección XZY=0; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): sección YZX=0.

Como se muestra en la Fig. 9a, c, e, en el núcleo del centro de la falla y la zona fracturada de la falla, aparece un área de baja presión a aproximadamente 1 m de distancia detrás de la cara de excavación del túnel. En la posición del túnel S = 0, el área de baja presión es mucho más pequeña que las áreas en S = −48 m, −28 my −16,5 m. En las secciones XZY=0 y XYZ=0, la presión de poro presenta una distribución ovalada con el eje mayor paralelo al eje X. En la sección YZX=0, la distribución de presión es aproximadamente circular. Los contornos de la velocidad del flujo muestran que el valor de V dentro de 1 m por delante de la cara de la excavación parece grande y luego disminuye a 0. El gradiente de velocidad del flujo a lo largo del eje Z es mayor que a lo largo del eje X, con el valor máximo de V de 10 × 10−5 m/s. En la sección YZX=0, el valor máximo de V es 6,46 × 10−5 m/s.

Los contornos P muestran una zona de baja presión alrededor de la cara de la excavación en la condición de S = 0. Dado que la permeabilidad del área superpuesta es la superposición de la permeabilidad de las dos zonas de daño, que es mayor que la de una sola zona de daño. La presión de poro adyacente al área superpuesta de las dos fallas disminuye rápidamente. Como resultado, el valor de V en el núcleo del centro de la falla es mucho mayor que el de la zona de roca ordinaria y alcanza su valor máximo en las proximidades de la cara de excavación del túnel.

(2) Análisis y resumen

De manera similar, la Tabla 5 revela la información del rango de la encuesta y el número de puntos de medición, mientras que S = −28. La Figura 10 muestra los datos de evolución de P y V monitoreados dentro de los 30 m por delante del frente de excavación como D.

Evolución de P y V dentro de los 30 m por delante del frente del túnel (S = 0).

La Figura 10a revela que mientras Y = ± 3,9 m, los valores de P en el frente de la excavación son de alrededor de 2,3 a 2,4 MPa, luego aumentan a medida que aumenta D (0 < D ≤ 5 m) y eventualmente alcanzan 3 MPa dentro de la formación profunda. . P aumenta rápidamente primero y luego lentamente desde 0 MPa en y dentro de 3 a 5 m delante de la cara de trabajo, estabilizándose finalmente en alrededor de 3 MPa. Mientras que 0 < D ≤ 5 m, los valores de P cuando Y = ± 3,9 m son mayores que cuando Y = ± 1,95 m y 0.

La Figura 10b revela que mientras Y = ± 3,9 m, V disminuye rápidamente hacia adelante (0 < D ≤ 15 m) y luego disminuye lentamente hacia la formación profunda, luego se acerca a 0. La velocidad del flujo fluctúa entre 1 y 2 m, Secciones de 3 a 5 m y de 7 a 10 m delante del frente de trabajo. Los valores máximos de V ocurren en D = 1,5 my D = 1 m. Después de eso, la velocidad del flujo cambia ligeramente hacia adentro de la formación, llegando finalmente a cero. Cuando Y = ± 1,95 m y 0, V generalmente disminuye en el rango de 15 m por delante del frente de excavación. Mientras D está a 0,5 m más adelante, V aumenta rápidamente. Luego, las velocidades del flujo fluctúan en los rangos de 3,5 a 7,5 m, 7,5 a 15 m, y Vmax ocurre en D = 5,5 my 9,5 m, respectivamente. Dentro del rango de 0,5 a 7 m, la velocidad del flujo en la sección Y = −1,95 m disminuye rápidamente. Dentro de 7 a 11 m y de 11 a 15 m, las velocidades del flujo aumentan y luego disminuyen, alcanzando picos en D = 8,5 my 13 m, respectivamente. Mientras D > 15 m, V disminuye lentamente hacia lo más profundo de la formación. Mientras que 0 < D ≤ 3 m, los valores de V cuando Y = 1,95 m, 0 y −1,95 m son mucho mayores que cuando Y = ± 3,9 m. Fuera del área de 10 m, la diferencia es pequeña.

(1) Resultados de la investigación numérica

Mientras la cara del túnel se excava hasta el centro del núcleo del centro de falla de la Falla 2 (S= 16.5), los resultados de la investigación numérica del flujo de agua en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=−16.5) se muestran en la Fig. .11 como sigue.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = 16,5 m. (a) y (b): sección XZY=0; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): YZX=16,5 sección.

La Figura 11 revela que la distribución de P cuando S = 16,5 m es equivalente a la distribución de P cuando S = −16,5 m. El agua subterránea fluye hacia el túnel y la presión alrededor y en el perímetro 1 m detrás del frente de la excavación desaparece, tomando una distribución del área de baja presión. La disminución de la presión de poro hace que el gradiente hidráulico aumente, por lo que el agua subterránea fluye hacia las proximidades del frente de trabajo. Dado que el valor de permeabilidad de la roca de la pared en el núcleo del centro de falla es mucho mayor que el de las zonas fracturadas, el valor de P disminuye rápidamente, la dirección de V es desde los dos lados del núcleo del centro de falla de la Falla 2 hacia baja zona de presión. Los valores de V del agua subterránea en la zona de la falla son mayores que los de las zonas de roca ordinaria y son los más altos adyacentes a la cara del túnel.

(2) Análisis y resumen

Nuevamente, la Tabla 6 revela la información del rango de la encuesta y el número de puntos de medición, mientras que S = −28. La Figura 12 muestra los datos de evolución de P y V que se monitorearon dentro de los 30 m por delante del frente de excavación como D.

Presión de poro y velocidad del flujo dentro de los 30 m por delante del frente de excavación (S = 16,5 m).

La Figura 12a muestra que mientras la cara del túnel se excava en el centro de la falla 2, el valor de P en y alrededor del rango de 1 m detrás de la cara de excavación es cero, luego aumenta rápidamente en la zona fracturada y luego lentamente aumenta. El valor de P a lo largo del eje Y dentro del rango de −1,95 m ≤ Y ≤ 1,95 m es significativamente menor que el de otras áreas, y la diferencia en la presión de poros lejos de la cara del túnel no es evidente. La Figura 12b revela que el valor máximo de V aparece en el frente de excavación. El valor de la velocidad del flujo del agua subterránea es alto alrededor del frente de excavación, disminuye rápidamente hacia adelante y cambia suavemente en la zona de roca ordinaria. A lo largo del eje Y, el valor de V en la cara de la excavación es mucho mayor que el de ambos lados. En la formación más profunda que se aleja del área de excavación, la velocidad del flujo en cada línea de medición cambia de manera insignificante, cercana a 0.

(1) Resultados de la investigación numérica

Mientras que el frente de excavación del túnel llega al centro de la zona fracturada derecha de la Falla 2 (S = 28), los resultados de la simulación numérica del flujo de agua en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=−28) se muestran en la Fig. 13 como sigue.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = 28 m. (a) y (b): sección XZY=0; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): sección YZX=28.

Como se muestra en la Fig. 13a,c,e, aparece un área de baja presión alrededor y a un rango de 1,0 m detrás del frente de excavación en la zona fracturada de la Falla 2, que es similar a la situación en la sección Y = −28 m. El agua subterránea fluye hacia el área del frente del túnel. Como se muestran los contornos de V en la Fig. 13b,d,f, la ley de distribución de V del agua subterránea no es similar a la de otros casos, es mayor dentro de 1 m del perímetro del túnel y disminuye gradualmente. La dirección del flujo del agua subterránea es hacia el frente de excavación. En la sección de XZY=0, el contorno de velocidad del flujo tiene una distribución de arco y se desplaza gradualmente hacia el área entre las direcciones del eje X negativo y el eje Z positivo, con el valor V máximo de 1,82 × 10−3. EM. En la sección YZX=28, el contorno V del agua subterránea tiene una distribución aproximadamente circular y su valor máximo es 6,17 × 10−4 m/s. Dado que la permeabilidad en la zona fracturada de la Falla 2 es mayor que la de la zona de roca ordinaria, pero menor que la del núcleo del centro de la falla, el agua subterránea fluye desde los dos lados del centro de la falla hacia el túnel. El valor de la velocidad del agua subterránea en el área del núcleo del centro de la falla también es mayor que el de la zona fracturada y la roca huésped. La velocidad más alta aparece en el perímetro del túnel, aproximadamente a 1 m detrás del frente de excavación.

(2) Análisis y resumen

La Tabla 7 revela la información del rango de estudio y el número de puntos de medición con el caso de S = 28. La Figura 14 revela los datos de evolución de P y V del agua subterránea que se monitoreó dentro de los 30 m por delante del frente de excavación como D.

P y V delante del frente del túnel (S = 28 m).

La Figura 14a muestra que mientras el frente de excavación se excava en el centro de la zona fracturada de la Falla 2, el valor de V crece rápidamente al principio y luego tardíamente a 3,0 MPa. A lo largo de la dirección del eje Y, el valor de P en las proximidades del frente de excavación es mucho menor que en otras áreas. La presión del agua lejos del frente de la excavación disminuye cuando el valor de Y aumenta. La Figura 14b revela que el valor máximo de V aparece en las proximidades del frente de excavación del túnel. El valor de V es alto junto a la cara del túnel, disminuye rápidamente hacia adelante y luego cambia lentamente. A lo largo de la dirección del eje Y, el valor de V en la cara de trabajo es obviamente mayor que el del área en ambos lados. Lejos del frente de excavación, el valor de V cambia poco y es cercano a cero.

(1) Resultados de la investigación numérica

Cuando el túnel se excava hasta la sección que está a 10 m del límite derecho de la zona fracturada de la Falla 2 (S = 48), la simulación numérica del flujo de agua resulta en tres secciones (XZY=0, XYZ=0, YZX=− 48) se muestran en la Fig. 15 como sigue.

Resultados de la investigación numérica para el caso S = 48 m. (a) y (b): sección XZY=0; (c) y (d): sección XYZ=0; (e) y (f): sección YZX=48.

Como se muestra en los contornos P, se presenta un área de baja presión dentro del rango de 1 m de la cara de excavación en el núcleo del centro de la falla y la zona fracturada, que es similar a los casos de S = −48 m. En particular, el valor de P es igual a 0 en el frente de excavación y crece rápidamente a medida que aumenta D. En las secciones XZY=0 y XYZ=0, los gradientes de presión de poro a lo largo del eje X son más pequeños que los de otras direcciones. La presión de poro muestra un valor constante en la pared de roca profunda que está alejada del frente de excavación. En la sección de YZX=0, el contorno P es casi circular adyacente al perímetro del túnel. Los contornos y diagramas vectoriales de V revelan que la magnitud del valor de V en el modelo es solo 10-7 m/s, mientras que el valor máximo de V ocurre en el frente de la excavación y el perímetro cercano. En las secciones XZY=0 y XYZ=0, el contorno de V es aproximadamente circular y simétrico en el eje X, y los valores máximos de V son 2,39 × 10−5 m/s y 4,65 × 10−6 m/s, por separado. En la sección YZX=0, el contorno de V también muestra una distribución circular y con un valor máximo de aproximadamente 4,84 × 10−7 m/s.

(2) Análisis y resumen

La Tabla 8 revela la información del rango de estudio y el número de puntos de medición, mientras que S = 48. La Figura 16 muestra los datos de evolución del agua subterránea de P y V que se monitorearon dentro de los 30 m más adelante en función de D.

Presión de poro y velocidad del flujo dentro de los 30 m por delante de la cara del túnel (S = 48 m).

En secciones Y = ± 3,9 m, la Fig. 16a muestra que los valores de P en el frente de excavación son 1,88 MPa y 1,94 MPa, por separado. Mientras que 0 ≤ D ≤ 6 m, P crece rápidamente con el aumento del valor de D y finalmente se estabiliza en el valor máximo. Mientras que Y = ± 1,95 my 0, el valor de P en el frente de excavación es aproximadamente cero. Mientras 0 ≤ D ≤ 6 m, el valor de P aumenta rápidamente, luego aumenta gradualmente y luego se estabiliza en el valor máximo. El valor de P en los tramos de Y = ± 3,9 m es mayor que el de los tramos de Y = 1,95 m, 0 y −1,95 m en el rango de 0 ≤ D ≤ 6 m, mientras que el valor de P en el tramo de Y = −3,9 m es ligeramente mayor que el de la sección de Y = 3,9 m. La Figura 16b muestra que la velocidad del flujo cae rápidamente dentro de los 6 m frente al frente de la excavación y luego desciende gradualmente, y todos los valores máximos de V aparecen en el frente de la excavación del túnel. Mientras que 0 ≤ D ≤ 6 m, los valores de V en los tramos de Y = ± 1,95 my 0 son mayores que en el tramo de Y = ± 3,9 m, y el máximo aparece en el tramo Y = −1,95 m. Fuera del rango de 6 m, la velocidad del flujo tiende a 0.

En las secciones anteriores de este trabajo, los resultados del cálculo numérico y el análisis de los contornos de presión de poro y velocidad de flujo se describen mientras la cara de excavación del túnel llega a siete posiciones típicas de dos fallas paralelas superpuestas, mientras que el rumbo de la falla es vertical y perpendicular. al eje central del túnel. En las secciones que siguen, en combinación con los resultados de estos análisis, se centra la influencia de la posición relativa y la distancia entre la cara de excavación del túnel y las dos fallas paralelas superpuestas en la entrada de agua al túnel. Las Figuras 17 y 18 revelan que todas las curvas de presión de poro y las curvas de velocidad del flujo para siete casos varían en los puntos de medición en la línea central del túnel (Y = 0 m).

Evolución de P en función de D para siete casos S diferentes.

Evolución de V en función de D para siete casos S diferentes.

Mientras que la cara del túnel se excava hasta los centros de los núcleos de los centros de falla, que es S = ± 16,5 m, la permeabilidad de la roca de la pared es la mayor. La velocidad de aumento de las presiones de poro delante de la cara de la excavación es la más baja, por lo que el rango afectado por la excavación y el soporte es el mayor. Mientras el frente de excavación del túnel se encuentra en los centros de las zonas fracturadas (S = ± 28 m), la permeabilidad de la roca se reduce, la velocidad de aumento de la presión de poro delante del frente de excavación es un poco grande y el rango influenciado por la la construcción está disminuida. Mientras el túnel se excava en las zonas de roca ordinaria (S = ± 48 m), la permeabilidad de la pared de roca es la más pequeña y los valores de presión de poro delante de la cara de excavación aumentan rápidamente. Cuando la cara de excavación del túnel llega al centro del área superpuesta (S = 0 m), la permeabilidad frente a la cara de excavación aumenta más rápido.

Si bien el túnel se excava hasta el centro de los núcleos de falla, que es S = ± 16,5 m, los valores de velocidad de flujo en el frente de excavación también son los mayores debido al mayor valor de permeabilidad de la roca de la pared, significativamente mayor que el de otros las condiciones de trabajo. En los centros de las zonas de daño (S = ± 28 m), la permeabilidad de la roca es secundaria, y los valores de velocidad del flujo en el frente de excavación también se reducen. En el centro de las dos fallas superpuestas paralelas (S = 0 m), la permeabilidad de esta área es mayor que la de la zona de roca ordinaria pero menor que la de la zona fracturada. Por lo tanto, el valor de la velocidad del flujo aquí es menor que el de la zona fracturada. Cuando el frente de excavación del túnel está en las zonas de roca ordinaria (S = ± 48 m), la permeabilidad de la roca es la más pequeña y el valor de V alrededor del frente de excavación también es el más bajo. Con dos fallas paralelas, la tasa de entrada de agua al túnel en el frente de excavación, en el perímetro del túnel y el total se muestran en la Tabla 9 y la Fig. 18.

Se puede ver en la Tabla 9 y la Fig. 19 que en el caso de dos fallas paralelas con direcciones verticales, cuando la cara de excavación llega a los centros de los núcleos del centro de la falla (S = ± 16,5 m), el caudal de entrada de agua es el más grande. Esto se debe a que el núcleo del centro de falla tiene la mayor permeabilidad y el fluido puede fluir hacia el túnel en la mayor cantidad por unidad de tiempo. Cuando la cara del túnel se excava en la zona fracturada (S = ± 28 m), el caudal de entrada de agua ocupa el segundo lugar. La razón es que la permeabilidad de la zona fracturada está entre la mayor que la del núcleo del centro de la falla y la más pequeña que la de la zona de roca ordinaria. Mientras que el túnel se excava en el centro de las fallas paralelas superpuestas (S = 0 m), el caudal de entrada de agua es menor que en las zonas fracturadas (S = ± 28 m). Aunque esta área tiene la superposición de la permeabilidad de las dos zonas de falla, la permeabilidad en la zona fracturada se ajusta a una distribución de función gaussiana. Por lo tanto, es más alto que el de la zona de roca ordinaria pero más bajo que el de la zona fracturada. Además, el valor del caudal de entrada de agua en la zona fracturada está estrechamente relacionado con la posición de excavación del frente de excavación. Cuanto menor sea la distancia relativa desde la cara de la excavación hasta el núcleo del centro de la falla, mayor será la tasa de flujo de entrada. La permeabilidad de la zona de roca ordinaria en el área sin falla es la más pequeña, donde la tasa de entrada de agua también es la más pequeña. Cuando el túnel cruza dos fallas paralelas muy espaciadas, la tasa de entrada de agua es mayor en el centro del núcleo del centro de la falla. Por lo tanto, se debe prestar más atención a estas áreas y tomar también medidas preventivas y de drenaje.

Tasa de entrada de agua versus distancia desde el frente de excavación hasta el centro de las fallas paralelas superpuestas.

El efecto de la distancia relativa desde la cara de la excavación hasta el centro de las fallas paralelas superpuestas sobre la ley de evolución de la presión de poro, la velocidad del flujo y la entrada de agua al túnel se evaluó resolviendo la ecuación mejorada de Darcy-Brickman, cuando un túnel pasa a través de dos fallas paralelas superpuestas perpendicularmente. Las conclusiones se extraen de la siguiente manera.

Presión del poro. Mientras que la cara de excavación del túnel llega al núcleo del centro de la falla, el valor de la presión de poro delante de la cara de excavación aumenta con la velocidad más lenta y el rango afectado por la excavación es el mayor. Mientras que el frente de excavación del túnel llega al centro de la zona fracturada, el valor de la presión de poro aumenta con una velocidad ligeramente más rápida y el rango afectado por la excavación disminuye. Mientras que la cara de trabajo alcanza la zona de roca ordinaria, el valor de presión de poro aumenta rápidamente. Finalmente, mientras que la cara de excavación llega al centro del área superpuesta de las dos fallas paralelas, la presión de poro aumenta más rápido y tiene el área de influencia más pequeña.

Velocidad de flujo. Si bien la cara de la excavación llega al núcleo del centro de la falla, el valor de la velocidad del flujo en la cara de la excavación es mucho mayor que en otros lugares. Mientras que el frente de excavación del túnel está en el centro de la zona fracturada, el valor de la velocidad del flujo cerca del frente de excavación es relativamente menor. Si bien el frente de excavación llega al centro del área de falla superpuesta, el valor es menor que el de la zona fracturada.

Tasa de entrada. Si bien el frente de excavación del túnel llega hasta la zona que afecta la falla, la tasa de entrada de agua está muy influenciada por la ubicación relativa del frente de excavación del túnel y el núcleo del centro de la falla. Cuanto menor sea la distancia desde la cara de excavación del túnel hasta el núcleo de la falla, mayor será la tasa de entrada de agua. Por el contrario, la velocidad del flujo de agua es relativamente pequeña cuando el túnel se encuentra fuera de las áreas con fallas.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Gracias por la ayuda de Zhenhao Xu y Xintong Wang. Ofrecieron asesoramiento sobre la composición y apoyo técnico en el modelado numérico del artículo.

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China,41907259; la Fundación de Ciencias Naturales de Hubei de la provincia china de Hubei, 2022CFB948; la Fundación del Centro de Investigación en Ingeniería de Perforación, Excavación y Protección de Roca-Suelo, 202208 y 202215.

Escuela de Ingeniería Civil y Centro de Investigación para el Desarrollo de la Ciudad de Hubei, Universidad de Ingeniería de Hubei, Xiaogan, 432000, China

Jing Wu, Yan-hua Han y Ya-ni Lu

Centro de Investigación de Ingeniería de Perforación, Excavación y Protección de Rocas y Suelos, Ministerio de Educación, Universidad de Geociencias de China, Wuhan, 430074, China

Jing Wu, Li Wu y Miao Sun

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Conceptualización, LW y JW; metodología, JW; software, JW y MS; validación, YH y MS; curación de datos, MS y YH; redacción del borrador original, JW; revisión y edición de redacción, YL; adquisición de financiación, JW, YL y MS; Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Ya-ni Lu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Wu, J., Wu, L., Han, Yh. et al. Investigación numérica de las características de entrada y filtración de agua en un túnel que cruza dos fallas paralelas superpuestas. Representante científico 13, 11806 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38986-x

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Recibido: 24 de octubre de 2022

Aceptado: 18 de julio de 2023

Publicado: 21 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38986-x

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