第一章 绪论
1.1 选题依据及研究意义
随着我国基础建设的不断发展，公路、铁路网不断向山区延伸，为了尽量缩短里程及保护沿线自然资源和环境资源，隧道便成为了其主要的设计方式之一。由于山区岩体地质环境的复杂性和未知性，比如溶洞、高地应力和软岩等问题的出现，使得隧道在修建过程中往往伴随着许多的突发事故和安全隐患问题。其中软岩大变形问题一直是工程技术人员所面临的一大难题。
地球表面软岩分布十分广泛，据不完全统计，仅泥岩和片岩就占所有岩石的 50%左右。目前，软岩大变形问题在许多国家均有出现，所引发的工程问题也时有报道，如奥地利的陶恩隧道和阿尔贝格隧道、日本的惠那山公路隧道，都被视为软岩大变形的经典案例；国内正在施工或者正在运营的隧道中，也出现了许多不同形式、不同程度的软岩大变形问题，例如宜万铁路的堡镇隧道、兰渝铁路的毛羽山和木寨岭隧道、宝中线的堡子梁隧道和国道317线的鹧鸪山公路隧道的。隧道大变形问题不仅需要巨大的治理费用和影响到全线的贯通，其施工过程中对工程技术人员的人生安全构成了严重的威胁。
我国历时 7 年完工的南昆铁路在隧道围岩大变形问题上损失巨大，其家竹菁隧道由于大变形而延误工期长达四个多月，据统计，为了整治其中发生大变形的一段长390m的洞室，所花费的自进式锚杆的费用和正常情况下成洞的造价相当，然而这还仅仅只是其中的一部分治理费用。
目前，隧道工程软岩大变形问题在理论研究和工程实践中仍存在诸多问题，主要表现在下面几个方面：（1）软岩隧道大变形规律的复杂性，使得国内外学者还没能对其建立一个明确的定义，由于未能形成系统的理论体系，使得勘察设计与施工等各方在软岩大变形的认识上很难达成一致，影响了软岩大变形研究工作的深入开展；（2）由于软岩大变形理论体系的不完善，学者们对软岩大变形问题的研究工作仅从各自的认知角度进行开展，造成各自的研究成果难以达成共识，甚至出现严重分歧；（3）由于各行业对围岩大变形的监测工作重视程度不一，和围岩大变形的监测缺乏系统的方法，使得围岩大变形的预测及应对措施难以找到行之有效的解决方案，对大变形的研究造成相当大的阻碍。（4）由于地下工程的隐蔽性，使得地质勘察资料难以详尽，导致设计中预测会出现大变形的地段在实际工程中并未出现大变形，相反在设计中预测没有大变形的地段在实际工程中却出现了大变形，造成工程施工的困难，从而使大变形地段成为隧道工程的关键段。因此，围岩大变形己经成为地下工程的一项世界性难题。
1.2 软岩隧道大变形国内外研究概况
1.2.1 软岩大变形机理研究
由于软弱岩体地质环境的复杂性，导致软弱岩体变形机理各异。因此，国内外学者根据各自研究区域内，岩石所处的地质环境的不同和岩性不同，分别采取了不同的研究方法。如R. Yoshinaka和M. Osada 等分别对泥岩、砂岩和粉砂岩等软岩进行三轴固结不排水剪切试验，研究发现此类岩石在高围压条件下变形模量呈非线性增加；且其轴向应变和轴向塑性应变随着围压的增加均倾于屈服，屈服后，轴向塑性应变和变形模量呈指数衰减。郭志在研究软岩的冻融作用、膨胀崩解耐久性和力学性质试验中，分析得出其力学性质变化特征与时间和赋存环境的关系。还有一些学者系统的阐述了软岩的矿物组成及其变形特性，发现软岩具有膨胀性、可塑性等工程力学特性，并对其进行了系统研究。张祉道在研究家竹菁隧道煤系地层中洞壁大变形问题时，发现其大变形是由于岩体受高应力作用而发生了较大的塑性变形，发现挤压性岩体对隧道大变形的影响。
软岩隧道开挖会产生明显的变形，甚至在支护完成后的很长一段时间里，其围岩变形量仍然会持续增长，这是由于软岩通常具有明显的流变性。其具体表现为在隧道施作初期支护后，岩体的变形随着时间的增长而持续增长，导致初期支护，甚至二衬支护开裂或严重破损。因此，国内外学者对不同软岩的流变性展开了系统的研究。
Haupt在对盐岩应力松弛特性进行研究时指出，岩盐应力松弛是其粘性效应的体现，与其内部细观结构无关。H. J. Liao对软岩进行了三轴固结不排水试验，研究发现软岩具有明显的应变率效应，其强度随应变率增大而增大。M.Gasc-Barbier 等对软岩进行三轴蠕变试验，实验研究表明应变和应变率随着温度和荷载的增大而增大，其蠕变与加载时间也有关。
孙钧院士通过试验对软岩的非线性流变力学特性进行了深入研究，得出一个三维非线性粘弹塑性流变本构模型。杨春和在研究盐岩的蠕变效应的过程中，结合谢和平院士的岩石蠕变损伤力学模型提出了一个能更全面反映盐岩蠕变过程的非线性蠕变本构方程。朱定华对南京红层软岩进行流变试验时发现其流变性非常明显，且与Burgers本构模型较为吻合。
第二章 软质片岩隧道围岩大变形特性分析
为了研究软质片岩隧道围岩变形规律，本文以某软质片岩隧道围岩变形稳定性为研究对象。以该隧道工程概况为基础，以现场监测数分析为依据，研究软质片岩力学特性，软质片岩隧道变形规律及其影响影响因素。
2.1 软质片岩的力学特性
2.1.1 软质片岩岩性分析
某隧道软质片岩为片层状岩体，属于变质岩，岩体抗风化能力弱，强度低，主要矿物为隐晶质粘土矿物，次要矿物包括绢云母、绿泥石和石英等。由于其内部节理裂隙发育，层理结构明显，详见图2-1所示。软质片岩层间颗粒的粘结力很小，强度很低，造成了片岩力学性能在平行于层理面方向、斜层理方向和垂直于层面方向上具有明显的各向异性。
国内外对层状岩体结构的划分以有多种方案和标准，国内相关规范也给出了明确的规定：参照软硬岩层组合关系和层面等结构面间距，通常将层状岩体划分为巨层状结构、厚层状结构、中厚层状结构、互层状或薄层状结构等，本文所研究的软质片岩属于薄层状结构。相关规定见表2-1。
2.2 围岩大变形影响因素分析
2.2.1 围岩变形分级标准
软岩隧道开挖过程中，围岩会发生明显的弹塑性变形，变形量明显高于一般条件下的围岩变形量，且易于超过工程设计的预留变形量，影响工程进度和工程经费。目前，受隧道地质条件的复杂性，岩体岩性的显著差异性和理论计算的不完善性等因素的影响，国内尚未形成一套统一的可操作性的围岩变形分级标准。
公路隧道设计规范（JTG D70-2004）并未对围岩变形量做出明确的规定，仅对连拱隧道做出相关规定：拱顶下沉可取规定值的70%，水平位移值取规定值的80%作为围岩稳定性的判定依据；对一般隧道取隧道围岩变形小于0.2~0.5mm/d 作为围岩稳定性的判定依据。铁路隧道设计规范（TB10003-2005）0采用隧道初期支护极限相对位移U/U （初期支护实测位移U与极限位移0初期支护实测位移U与极限位移U ）之比，来判定不同条件下隧道围岩的稳定性。俞喻[6]认为单线隧道发生位移大于25cm和双线隧道发生位移大于50cm作为大变形的判定依据。谢漠文,杨淑清认为大变形分为设计和施工两个阶段，设计阶段，根据围岩力学参数及地应力测试结构，初步确定大变形地段；施工阶段，在相对变形的基础上，引入综合系a反应围岩抗压强度、地应力、弹性模量和侧压力系数的影响，对大变形进行分级。如表2-2和表2-3所示。
第三章 软质片岩蠕变本构模型研究 ................ 21
3.1 概述 ...................... 21
3.2 软岩的流变特性 ............................ 21
第四章 数值分析 ............ 29
4.1 概述 ...................... 29
4.2 FLAC3D简介 ............... 29
第五章 软岩隧道围岩与支护结构相互作用机制 ............................ 47
5.1 概述 ............ 47
5.2 软岩隧道围岩-初期支护相互作用机理 ............. 47
第五章 软岩隧道围岩与支护结构相互作用机制
5.1 概述
20 世纪 50~60 年代，工程技术人员认为围岩与支护结构相互作用机制主要以弹塑性力学理论为主。其主要思路和理论基础是：以弹塑性理论和卡斯特纳方程为基础，得出洞室周边位移计算公式及围岩特性曲线，并求出其与支护结构特性曲线交点的坐标，该交点即为围岩与支护结构达到平衡时需满足的条件。但弹塑性理论并不能完全解释软岩隧道围岩-支护结构相互作用机制，更主要的还需考虑围岩-支护结构的流变作用。因此，为了确保岩体工程的长期运营过程中的安全性与稳定性，对软弱围岩流变力学特性进行深入的研究，充分考虑围岩-初期支护和二次衬砌的流变力学特性，对实际工程应用具有重要的实践与指导作用。
当隧道岩体开挖后，掌子面便产生了临空面，掌子面前方一定范围内的围岩应力重分布，围岩产生弹塑性变形从而达到新的平衡，其产生的位移为先行位移；由于软弱围岩具有明显的蠕变性，此时，伴随着弹塑性变形的产生，围岩就开始产生流变变形。当洞室继续向前掘进时，前一次施工循环的应力平衡再一次被打破，拱顶和周边岩体产生临空面，而产生新的位移，如图5-1的变形剧增阶段。由于软质片岩岩性较差，且具有蠕变性，围岩难以自稳，在没有支护作用下，围岩变形量将会持续增大，直至围岩破坏。因此，必须借助于支护作用才能使围岩达到变形稳定阶段。
第六章 结论与展望
6.1 主要工作回顾
本文研究软质片岩隧道大变形的理论依据是：软质片岩是地下工程中常见的一种薄层状岩体，其节理裂隙发育，岩性较差，遇水极易软化，且在隧道通过软质片岩岩层时，经常会发生大变形，甚至塌方事故。因此，研究软质片岩大变形机理及其控制技术对于解决好实际工程中遇到类似问题是有较大意义的。
本文的主要工作是：
（1）分析研究区域的工程地质条件及隧道围岩岩性，并结合所研究区域内隧道出现大变形的特点，发现该段软岩隧道大变形主要有四种类型：围岩岩性控制型、岩体结构控制型、地形偏压型和施工扰动型；对该区域内软质片岩性质进行分析，发现软质片岩岩性差，易于被施工作业扰动，且遇水易软化，导致岩体岩性进一步恶化，使得岩体发生大变形，因此，选取围岩岩性控制型作为数值模拟的原型。
（2）本文从某在建高速公路软岩隧道大变形问题着手，以其中某软质片岩隧道为主要工程背景，分析软质片岩力学特性，软质片岩隧道围岩大变形特性及其影响因素；发现软质片岩隧道变形主要出现三种状态，即稳定型、等速型和加速型变形。
（3）选取该隧道 YK206+437~YK206+505 大变形段为研究对象，运用 FLAC3D软件对该段进行数值分析。在对该段进行不同工况的开挖方法进行模拟发现：对于岩性较差的围岩，预留核心土法施工可以有效的阻止掌子面的变形和垮塌；在使用三台阶法施工时，在掌子面稳定的情况下，采用预留核心土配合超短台阶法施工时能使支护结构尽早闭合，更能发挥支护结构的作用。
（4）通过对隧道超前支护和锚杆支护效果的模拟发现：对软岩隧道进行超前支护能有效控制掌子面及拱顶围岩的变形，提高围岩的稳定性，改变超前小导管的倾斜角度对控制拱顶围岩的变形能起到一定的作用，但效果并不明显；由于软岩在成洞过程中围岩的塑性区较大，导致原设计锚杆长度不能达到很好的支护效果，在此基础上适当的增加锚杆地长度能有效的增加锚杆的作用效果。
（5）隧道围岩与支护既相互制约又相互依存，支护与围岩的作用关系是隧道工程的核心内容。对于软岩隧道，围岩与支护结构具有明显的蠕变特性，通过对所研究区域内某软质片岩隧道监控量测数据分析发现，初期支护、二衬支护、钢拱架、多点位移计和电测锚杆计在监测四五个月后，应力及位移仍有明显增长的趋势，可见软岩隧道围岩蠕变效应相当明显。
参考文献（略）