本课题依托滨绥线牡丹江至绥芬河段扩能改造工程的兴源隧道，该隧道地质条件复杂，主要为炭质泥岩、炭质页岩及炭质泥岩夹砂岩，遇水极易软化，流变性极强。结合其特殊的地质条件，通过现场试验及数值模拟分析，研究软岩大变形的变形机理、支护参数、施工方法及变形控制措施。 结合兴源隧道施工所揭露的围岩情况，通过现场隧道施工变形和受力的监测、解析计算、二维和三维弹塑性有限元数值模拟分析，分析了软岩大变形的机理，优化了支护参数，研究了隧道施工方法和变形控制措施，具体结论如下： （1）根据位移反分析结果，并结合兰渝线炭质板岩及类似工程勘探资料，综合确定兴源隧道围岩的力学计算参数。 （2）通过综合分析隧道施工监测得到的围岩变形、围岩压力、钢拱架应力及二衬接触压力等量测数据，并通过围岩变形与支护受力之间的相互作用关系以及围岩地层岩性等现场资料得出以下结论：①兴源隧道试验断面具有变形量大、初期变形快、变形持续时间长等特征；②右拱腰部位承受很大的围岩变形荷载；③拱架受力满足横截面正应力分布特征，且表现出整体受压，拱架受力对各部分开挖表现敏感；④随着二衬强度的增加，其承担初支产生的接触压力也随之增长，最终达到平稳阶段；⑤对于双层初支断面，第一层初支承担大部分围岩变形荷载，第二层初支对第一层初支起着刚度增大和补强的作用。 （3）分别采用卡斯特奈公式和芬纳（fenner，R.）公式计算塑性圈半径。 （4）根据剪切滑移破坏理论，分别计算了不同支护参数下的喷砼、钢架、锚杆、围岩提供的支护抗力和荷载的分配系数。 （5）采用粘弹性力学模型计算隧道变形情况，流变模型采用广义开尔文模型，分别计算不同侧压力系数、埋深为100m情况下的级围岩拱顶下沉量和收敛时间。 （6）隧道大变形分级按围岩变形值与隧道当量洞径比 %划分：20～40cm段处于Ⅰ级大变形，40～67cm处于Ⅱ级大变形，>67cm处于Ⅲ级大变形。 （7）推荐采用长度为6m、下斜角度为30°、直径为φ89的锁脚锚管，钢拱架间距为0.5m。 （8）建议采用0.6m厚度的二次衬砌支护。 （9）对不同变形控制措施进行了有限元数值模拟计算，根据计算结果优选出对围岩变形控制最有效的方法，同时还要保证支护结构具有良好的受力特性。 （10）通过对围岩变形速率为5mm/d和2mm/d两个二衬施作时机进行计算分析，将围岩变形速率为2mm/d作为二衬施做时机。 （11）通过对尖点突变理论的应用，确定围岩稳定性的极限状态。在极限位移分析的基础之上，提出了不同埋深下隧道的变形控制基准。 （12）兴源隧道大变形属于围岩岩性控制类型，地层岩性、高地应力、软弱夹层和地下水是围岩产生大变形的重要影响因素，其变形机理是高地应力下软岩的塑性流变、围岩的弯曲变形以及夹层的软化共同作用的结果。

中铁二十二局哈尔滨铁路建设集团有限责任公司

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