1引言
1.1背景及研究意義
1.2國內外研究現狀
1.2.1軟岩大變形機理的研究現狀
1.2.2變形控制措施的研究現狀
1.2.3極限位移與變形控制基準的研究現狀
2興源隧道位移反分析
2.1位移反分析國內外研究現狀
2.2噴錨支護提供的支護抗力
2.2.1剪切滑移體的形成
2.2.2噴錨支護所提供的抗力的計算
2.2.3非圓形隧道的處理
2.3興源隧道位移反分析
2.3.1位移反分析原理
2.3.2興源隧道位移反分析
2.4小結
3興源隧道施工監控量測與分析
3.1興源隧道工程概況
3.1.1工程地質
3.1.2水文地質
3.2試驗方案及測試項目
3.2.1支護參數
3.2.2施工方法及工序
3.2.3測試項目及方案
3.3進口段DK409 710斷面監控量測分析
3.3.1變形監測分析
3.3.2圍岩壓力監測分析
3.3.3鋼架應力監測分析
3.3.4二次襯砌接觸壓力監測分析
3.4進口段DK409 720斷面監控量測分析
3.4.1變形監測分析
3.4.2圍岩壓力監測分析
3.4.3鋼架應力監測分析
3.4.4二次襯砌接觸壓力監測分析
3.5斜井正洞段DK411 282斷面監控量測分析
3.5.1變形監測分析
3.5.2圍岩壓力監測分析
3.5.3鋼架應力監測分析
3.5.4二次襯砌接觸壓力監測分析
3.6斜井正洞段DK411 413.8斷面監控量測分析
3.6.1變形監測分析
3.6.2圍岩壓力監測分析
3.6.3鋼架應力監測分析
3.7出口段DK411 920斷面監控量測分析
3.7.1變形監測分析
3.7.2圍岩壓力監測分析
3.7.3鋼架應力監測分析
3.7.4二次襯砌接觸壓力監測分析
3.8出口段DK411 968.8斷面監控量測分析
3.8.1變形監測分析
3.8.2圍岩壓力監測分析
3.8.3鋼架應力監測分析
3.8.4二次襯砌接觸壓力監測分析
3.9小結
4興源隧道塑性圈影響半徑、初期支護承載力和開挖後變形計算
4.1塑性圈影響半徑計算
4.1.1卡斯特奈塑性圈影響半徑計算
4.1.2芬納塑性圈影響半徑計算
4.1.3塑性圈影響半徑分析結論
4.2初期支護承載力計算
4.3隧道變形計算及變形分級
4.3.1隧道彈黏性計算模型
4.3.2隧道彈性計算模型
4.3.3計算參數確定
4.3.4隧道圍岩變形計算與分析
4.3.5變形分級
4.4小結
5興源隧道大變形段支護參數優化分析
5.1計算模型與計算參數
5.1.1計算模型的假定
5.1.2計算參數
5.1.3計算簡圖
5.1.4邊界條件
5.1.5支護結構的數值實現方法
5.2鎖腳錨管不同長度對比分析
5.2.1位移
5.2.2錨管軸向應力
5.2.3一層鋼拱架（Ⅰ22b）應力
5.2.4二層鋼拱架（Ⅰ18）應力
5.2.5一層噴射混凝土應力
5.2.6塑 性 區
5.3不同鎖腳錨管下斜角度對比分析
5.3.1位移
5.3.2錨管軸向應力
5.3.3鋼拱架應力
5.3.4噴射混凝土應力
5.3.5塑 性 區
5.4鎖腳錨管不同直徑對比分析
5.4.1位移
5.4.2錨管軸向應力
5.4.3鋼拱架應力
5.4.4噴射混凝土應力
5.4.5塑 性 區
5.5鋼拱架不同間距對比分析
5.5.1位移
5.5.2錨管軸向應力
5.5.3鋼拱架應力
5.5.4噴射混凝土應力
5.5.5塑 性 區
5.6基於荷載—結構模型二次襯砌的不同厚度對比分析
5.6.1計算模型
5.6.2計算結果與分析
5.7小結
6興源隧道大變形圍岩段變形控制措施研究
6.1支護參數和施工方法
6.2材料參數模型
6.3三臺階七部開挖法不同臺階高度對比分析
6.3.1圍岩變形及塑性區分布
6.3.2噴射混凝土應力分析
6.3.3鎖腳錨管應力分析
6.4三臺階七部開挖法不同臺階長度對比分析
6.4.1圍岩變形及塑性區分布
6.4.2噴射混凝土應力分析
6.4.3鋼拱架應力分析
6.4.4鎖腳錨管應力分析
6.5三臺階七部開挖法不同開挖進尺對比分析
6.5.1圍岩變形及塑性區分布
6.5.2噴射混凝土應力分析
6.5.3鋼拱架應力分析
6.5.4鎖腳錨管應力分析
6.6三臺階七部開挖法不同鎖腳錨管長度對比分析
6.6.1圍岩變形及塑性區分布
6.6.2噴射混凝土應力分析
6.6.3鎖腳錨管應力分析
6.7三臺階七部開挖法不同鎖腳錨管角度對比分析
6.7.1圍岩變形及塑性區分布
6.7.2噴射混凝土應力分析
6.7.3鎖腳錨管應力分析
6.8不同鎖腳錨管直徑及組合對比分析
6.8.1圍岩變形及塑性區分布
6.8.2噴射混凝土應力分析
6.8.3鎖腳錨管應力分析
6.9三臺階七部開挖法不同縱向連接對比分析
6.9.1圍岩縱向位移分析
6.9.2縱向連接軸向應力分析
6.10二次襯砌施作時機的黏彈塑模擬分析
6.10.1圍岩的黏彈塑性特性
6.10.2黏彈塑模擬分析
6.11小結
7極限位移及變形控制基準
7.1基於突變理論的極限位移研究
7.1.1突變理論及突變模型
7.1.2極限狀態的塑性應變突變判別準則
7.1.3突變理論在興源隧道中的實際應用
7.2興源隧道變形控制基準建立
7.2.1隧道穩定性極限位移判別準則
7.2.2興源隧道變形控制基準的建立
7.3小結
8興源隧道大變形機理分析
8.1大變形的定義及類型
8.2隧道圍岩大變形破壞的影響因素
8.2.1岩體特性對圍岩大變形的影響
8.2.2地下水條件對圍岩變形的影響
8.2.3地應力場及支護強度對圍岩變形的影響
8.2.4施工方法對圍岩變形的影響
8.3圍岩的黏彈塑性分析
8.4圍岩的大變形機理分析
8.5小結
9興源隧道軟岩大變形施工技術
9.1施工方法
9.1.1超前地質預報
9.1.2開挖技術
9.1.3超前支護
9.1.4鋼架架立
9.1.5鎖腳錨管/繫統錨杆
9.1.6注漿施工
9.1.7襯砌施工
9.2施工取得的效果
10結論及展望
10.1結論
10.2展望
參考文獻

   關於隧道開挖後的軟岩大變形問題，國內外專家從理論到實踐在各個領域都做了許多探索和研究，但是由於其復雜性，在軟岩變形機理、變形控制技術、合理經濟的支護手段等多個領域仍然存在許多分歧，尤其是針對某個特殊的具體工程，現有的理論和經驗還具有一定的局限性。濱綏線牡丹江至綏芬河段擴能改造工程的興源隧道地質條件復雜，其中大部分圍岩為Ⅴ、Ⅵ級，主要為炭質泥岩、炭質頁岩及炭質泥岩夾砂岩，遇水極易軟化，流變性極強。針對其復雜的地質條件，通過參建各方的共同研究和實踐，結合現場施工組織中的措施應用，本編寫團隊開展了隧道施工變形和受力的監測與分析、理論解析計算、彈塑數值模擬分析、黏彈塑數值模擬分析、工程實踐等方面的研究工作，深入分析軟岩大變形的機理，進而優化了支護參數，總結出一套較完整的軟岩大變形隧道的施工技術和變形控制措施，成功解決了遇到的各種難題，順利完成建設任務，通過對科研項目研究成果的思考與總結形成了本書內容。
相較於國內外同類研究，本書的主要特色和創新點如下：
（1）軟岩大變形隧道支護參數
興源隧道支護參數是通過借鋻國內外在相似地層條件下的支護參數，並根據本隧道所特有的條件通過二維和三維數值模擬分析的結果優選得到的，工程實踐證明是合適的，其研究思路和方法相對比較獨特。建議采用雙層初期支護 二次襯砌的支護結構，層噴射混凝土厚0.28 m，配鋼架Ⅰ22b，鋼拱架間距為0.5 m；第二層噴射混凝土厚0.24 m，配鋼架Ⅰ18，鋼拱架間距為0.5 m；鎖腳錨管采用長度為6 m、下斜角度為30°、2根89灌漿導管；二次襯砌厚度采用0.6 m。
（2）軟岩大變形隧道極限位移及大變形管理等級
在參考已有成果的基礎上，利用極限位移突變理論，結合興源隧道實際工程，給出了該隧道的極限位移及大變形管理等級，對後續工程及相似工程有較大的參考價值。
①通過對尖點突變理論的應用，結合數值模擬手段，分析不同地應力釋放繫數下的洞周塑性應變規律，通過塑性應變發生突變所對應的應力釋放繫數來確定圍岩穩定性的極限狀態。分析結果表明，當應力釋放率達到70%時，圍岩穩定性發生突變，進入塑性流動階段；當應力釋放率在45%與70%之間時，圍岩處於塑性發展階段；而在此之前圍岩尚處於彈性變形階段。
②根據圍岩穩定性的極限狀態分析，通過對70%應力釋放率下不同埋深（50 m、100 m、150 m）的數值模擬分析，得出了各埋深條件下隧道極限位移。
③在極限位移分析的基礎之上，運用當前工程界普遍使用的三級管理機制對隧道圍岩變形控制基準進行分級，提出了不同埋深下隧道的變形控制基準。
（3）隧道軟岩大變形機理分析
從影響圍岩大變形的各個因素入手，結合圍岩的黏彈塑性分析，分析了興源隧道的圍岩大變形機理，即興源隧道發生大變形是由圍岩岩性的軟弱、圍岩的彎曲變形以及圍岩和軟弱夾層在地下水作用下發生軟化而造成的。其變形特征為初期變形速率大、變形持續時間長、終變形量大、縱向變形不均勻以及剪切現像嚴重等。在變形機理分析的基礎上制定變形控制措施，使得變形控制措施更加合理有效。
（4）二次襯砌的合理施作時機
通過對圍岩變形速率為5 mm/d和2 mm/d兩個二次襯砌施作時機進行計算分析發現，在圍岩變形速率為5 mm/d時施作二次襯砌對圍岩變形發展的控制能夠起到很好的效果，但是由於二次襯砌施作時機太過提前，導致二次襯砌混凝土應力過大，已經超出了C35混凝土的屈服極限；而在圍岩變形速率為2 mm/d時施作二次襯砌，圍岩拱頂沉降和拱腰水平位移相對於在5 mm/d時施作二次襯砌分別增大18.03%和26.35%，施作的二次襯砌應力相對較小，能夠滿足C35混凝土的承載能力要求。據此可確定軟岩大變形隧道的二次襯砌的合理施作時機，即可將圍岩變形速率為2 mm/d作為二次襯砌施作時機。
（5）軟岩大變形隧道施工變形控制措施
通過對不同變形控制措施進數值模擬計算，主要包括不同臺階長度、不同開挖進尺、不同臺階高度、不同鎖腳錨管（長度、角度、直徑組合）以及不同縱向連接形式，共五種不同的控制措施，並從圍岩變形、支護受力等多個角度進行了對比分析，根據計算結果優選出對圍岩變形控制有效的方法，同時還要保證支護結構具有良好的受力特性。
①實施少擾動、早封閉的支護理念。針對興源隧道大變形實際情況提出縮短臺階長度，減小開挖進尺的控制措施，以達到縮短支護封閉時間，減少圍岩擾動次數的目的。建議臺階長度5 m，開挖進尺為0.5 m。
②對每個臺階拱腳均采取鎖腳錨管加強的支護措施。通過對鎖腳錨管不同長度、角度以及直徑組合進行數值模擬分析，不同鎖腳錨管角度對圍岩變形的控制效果有著明顯的差異性。分析結果表明，鎖腳錨管長度6 m、7 m、8 m三種工況對圍岩變形的影響沒有太大差別，考慮經濟合理的因素，推薦采用長度為6 m的鎖腳錨管；上臺階宜采用下斜30°鎖腳錨管，因為較大的角度有利於對上臺階支護結構提供更好的支撐力，能夠充分發揮鎖腳錨管的壓彎效應；而中、下臺階適合采用下斜15°鎖腳錨管，此時鎖腳錨管的作用主要是控制支護結構在圍岩的擠壓作用下向臨空面變形，錨管主要表現出抗拉撥效應，同時還兼顧控制支護結構整體下沉的作用；對4根42和2根89兩種鎖腳錨管工況的對比分析，認為都在安全合理的範圍內，采用2根89的鎖腳錨管支護較有利。
③在施工方法方面，針對三臺階七部開挖法，提出了采取控制臺階高度來減小圍岩變形的措施，不同臺階高度的成拱效應是不同的，建議上臺階的高度為3.5 m。
④針對該隧道縱向變形不均勻、剪切現像嚴重的問題，采用增強縱向連接的措施，通過提高縱向連接的剛度來約束圍岩的縱向位移，從而起到穩定支護結構，控制圍岩變形的目的。建議采用14號槽鋼作為鋼拱架的縱向連接。
（6）軟岩隧道大變形控制初期支護中鋼拱架縱向連接結構
本編寫團隊進行了軟岩大變形隧道施工技術綜合研究，並獲得了軟岩隧道大變形控制初期支護中鋼拱架縱向連接結構專利授權。
本書由邵志遠、李德武、徐松、馬學寧、範春宇、楊進京共同撰寫，由李德武統稿。其中邵志遠負責第3章第1～4節、第5章第 4～5節、第9章，李德武負責前言、第2章、第5章第7節、第6章第7節、第10章，徐松負責第3章5～6節、第6章3～5節，馬學寧負責第4章、第5章第6節，範春宇負責第3章7～8節、第5章1～3節、第6章第6節，楊進京負責第1章、第3章第9節、第6章第1～2節、第6章8～11節、第7章、第8章。
本書是一本內容比較繫統全面和實用的結合具體隧道工程的軟岩大變形控制技術及施工方法的學術著作，可作為工程技術人員和研究生的參考書。
本書在編寫過程中，得到了各方面專家和領導的指導，得到了中鐵二十二局集團有限公司和蘭州交通大學的研究經費和設備的支持，同時在本書撰寫的過程中，參考和引用了大量的國內外文獻，在此一並表示衷心感謝！
由於作者水平有限，書中難免有錯誤與不當之處，懇請國內外專家和讀者批評指正。 
著者2020年1月