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突水灾害严重制约着我国隧道及地下工程建设向更高质量、更高效率迈进，成为交通强国战略目标实现道路上的一道阻碍。深入认识突水灾变演化过程及其灾变机理，是解决隧道施工安全防控难题的理论基础。近年来，随着计算机技术的飞速发展和数值分析方法的广泛应用，利用数值模拟手段解决工程建设难题、再现地质灾害演化过程、揭示灾变过程中关键信息演化规律逐渐成为了研究热点，也为科学认识隧道突水灾变演化过程提供了解决思路。
本文以隧道开挖卸荷作用下岩体破坏突水近场动力学模拟分析方法为主要研究目标，针对隔水岩体在隧道开挖卸荷与地下水渗流综合作用下发生的渐进破坏过程，利用基于非局部作用思想的近场动力学方法，采用理论分析、数学推导、程序研发、算例验证以及工程应用等手段，通过将近场动力学在模拟固体材料连续-非连续变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合，建立了描述流体压力驱动作用下裂隙岩体流-固耦合破坏过程的近场动力学模拟分析方法，并提出了描述隧道开挖卸荷效应的物质点休眠法与三维高效求解的矩阵运算方法，构建了考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法，成功应用于典型岩溶隧道突水灾变过程模拟，揭示了不同影响因素对隔水岩体渐进破坏突水灾变演化过程的影响规律，为隧道突水等相关地质灾害的预测预警及安全防控提供了重要的研究手段。
(1)岩体往往是由节理裂隙等不连续结构面切割而成的岩块构成的，存在明显的不连续变形特征。据此，通过引入描述节理裂隙强度弱化效应的折减系数建立了节理裂隙岩体强度折减本构模型，通过引入反映物质点不可压缩效应的短程排斥力和反映材料非均质特性的Weibull分布函数建立了描述材料在压缩荷载作用下发生非均匀破坏的近场动力学基本控制方程，并且自主研发了基于矩阵运算的三维近场动力学高效求解方法和程序，实现了近场动力学在节理裂隙岩体压缩破坏过程中的有效模拟。
(2)裂隙岩体流-固耦合破坏机制是隧道岩体破坏突水灾变演化过程模拟的关键。据此，基于近场动力学非局部作用思想，建立了模拟地下水渗流的等效连续介质、离散裂隙网络介质以及孔隙-裂隙双重介质近场动力学模拟方法，结合有效应力原理，提出了反映固体材料变形破坏与地下水渗流耦合作用的物质点双重覆盖理论模型，建立了模拟裂隙岩体水力压裂过程的近场动力学流-固耦合模拟方法，揭示了裂隙岩体水力压裂过程中应力-渗流-损伤耦合作用机制。
(3)开挖卸荷是诱发隧道围岩损伤破坏及突水的主要原因，目前近场动力学方法尚未在岩土工程领域广泛应用，且缺乏描述围岩卸荷过程的理论与方法。据此，提出了模拟隧道开挖卸荷效应的物质点休眠法，通过与工程现场观测数据及前人研究结果进行对比，验证了该方法在模拟隧道开挖损伤区演化规律方面的有效性和可靠性，进而建立了考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法，实现了应力-渗流耦合作用下节理地层隧道开挖损伤区分布位置及形态的有效预测，为隧道施工过程岩体破坏突水灾变模拟提供了有效的数值方法。
(4)隧道岩体破坏突水是不良地质构造与地下工程活动综合作用下发生的一种典型的连续-非连续动态变化过程，对数值模型的建立和求解提出了更高的要求。据此，应用自主研发的基于矩阵运算的考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法及程序，依托歇马隧道典型溶洞突水案例，实现了模型试验尺度岩溶隧道施工过程中隔水岩体在开挖卸荷与地下水渗流综合作用下，开挖损伤区与渗透损伤区接触-融合-贯通直至突水通道形成的全过程模拟。
(5)岩溶隧道突水灾变机理十分复杂，正确认识突水灾变发生条件与影响规律是突水灾害防控的基础。据此，依托歇马隧道工程实例，开展了工程尺度岩溶隧道突水灾变过程模拟，通过对比分析不同影响因素条件下隔水岩体渐进破坏与突水通道形成过程，揭示了溶洞发育规模、溶洞水压力、围岩材料性能和隧道埋深等因素对突水灾变过程的影响机制，通过防突结构最小安全厚度和突水防控措施分析，为岩溶隧道突水灾害预测预警及安全防控提供了科学指导。
(6)近场动力学凭借其模拟材料损伤破坏的独特优势，在岩土工程领域拥有巨大的应用潜力，但是目前尚无成熟的数值仿真软件推广应用。据此，基于自主研发的考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法及程序，利用C++与Matlab混合编程技术，开发了具有自主知识产权的界面友好、操作方便、扩展性强的适用于岩土工程问题的专业数值仿真软件——近场动力学工程仿真实验室(PESL)，为近场动力学在岩土工程及其他领域的推广应用提供了借鉴。
本文以隧道开挖卸荷作用下岩体破坏突水近场动力学模拟分析方法为主要研究目标，针对隔水岩体在隧道开挖卸荷与地下水渗流综合作用下发生的渐进破坏过程，利用基于非局部作用思想的近场动力学方法，采用理论分析、数学推导、程序研发、算例验证以及工程应用等手段，通过将近场动力学在模拟固体材料连续-非连续变形损伤与地下水渗流两方面的优势相结合，建立了描述流体压力驱动作用下裂隙岩体流-固耦合破坏过程的近场动力学模拟分析方法，并提出了描述隧道开挖卸荷效应的物质点休眠法与三维高效求解的矩阵运算方法，构建了考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法，成功应用于典型岩溶隧道突水灾变过程模拟，揭示了不同影响因素对隔水岩体渐进破坏突水灾变演化过程的影响规律，为隧道突水等相关地质灾害的预测预警及安全防控提供了重要的研究手段。
(1)岩体往往是由节理裂隙等不连续结构面切割而成的岩块构成的，存在明显的不连续变形特征。据此，通过引入描述节理裂隙强度弱化效应的折减系数建立了节理裂隙岩体强度折减本构模型，通过引入反映物质点不可压缩效应的短程排斥力和反映材料非均质特性的Weibull分布函数建立了描述材料在压缩荷载作用下发生非均匀破坏的近场动力学基本控制方程，并且自主研发了基于矩阵运算的三维近场动力学高效求解方法和程序，实现了近场动力学在节理裂隙岩体压缩破坏过程中的有效模拟。
(2)裂隙岩体流-固耦合破坏机制是隧道岩体破坏突水灾变演化过程模拟的关键。据此，基于近场动力学非局部作用思想，建立了模拟地下水渗流的等效连续介质、离散裂隙网络介质以及孔隙-裂隙双重介质近场动力学模拟方法，结合有效应力原理，提出了反映固体材料变形破坏与地下水渗流耦合作用的物质点双重覆盖理论模型，建立了模拟裂隙岩体水力压裂过程的近场动力学流-固耦合模拟方法，揭示了裂隙岩体水力压裂过程中应力-渗流-损伤耦合作用机制。
(3)开挖卸荷是诱发隧道围岩损伤破坏及突水的主要原因，目前近场动力学方法尚未在岩土工程领域广泛应用，且缺乏描述围岩卸荷过程的理论与方法。据此，提出了模拟隧道开挖卸荷效应的物质点休眠法，通过与工程现场观测数据及前人研究结果进行对比，验证了该方法在模拟隧道开挖损伤区演化规律方面的有效性和可靠性，进而建立了考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法，实现了应力-渗流耦合作用下节理地层隧道开挖损伤区分布位置及形态的有效预测，为隧道施工过程岩体破坏突水灾变模拟提供了有效的数值方法。
(4)隧道岩体破坏突水是不良地质构造与地下工程活动综合作用下发生的一种典型的连续-非连续动态变化过程，对数值模型的建立和求解提出了更高的要求。据此，应用自主研发的基于矩阵运算的考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法及程序，依托歇马隧道典型溶洞突水案例，实现了模型试验尺度岩溶隧道施工过程中隔水岩体在开挖卸荷与地下水渗流综合作用下，开挖损伤区与渗透损伤区接触-融合-贯通直至突水通道形成的全过程模拟。
(5)岩溶隧道突水灾变机理十分复杂，正确认识突水灾变发生条件与影响规律是突水灾害防控的基础。据此，依托歇马隧道工程实例，开展了工程尺度岩溶隧道突水灾变过程模拟，通过对比分析不同影响因素条件下隔水岩体渐进破坏与突水通道形成过程，揭示了溶洞发育规模、溶洞水压力、围岩材料性能和隧道埋深等因素对突水灾变过程的影响机制，通过防突结构最小安全厚度和突水防控措施分析，为岩溶隧道突水灾害预测预警及安全防控提供了科学指导。
(6)近场动力学凭借其模拟材料损伤破坏的独特优势，在岩土工程领域拥有巨大的应用潜力，但是目前尚无成熟的数值仿真软件推广应用。据此，基于自主研发的考虑卸荷效应的应力-渗流近场动力学模拟方法及程序，利用C++与Matlab混合编程技术，开发了具有自主知识产权的界面友好、操作方便、扩展性强的适用于岩土工程问题的专业数值仿真软件——近场动力学工程仿真实验室(PESL)，为近场动力学在岩土工程及其他领域的推广应用提供了借鉴。