本书系统归纳了滨绥线牡丹江至绥芬河段扩能改造工程的兴源隧道的建设经验和研究成果。该隧道大部分围岩为Ⅴ、Ⅵ级软岩，遇水极易软化，流变性极强。因此，针对其复杂的地质条件、结合现场施工组织中的措施应用，开展了隧道施工变形和受力的监测与分析、理论解析计算、弹塑性有限元数值模拟分析、粘弹塑性有限元数值模拟分析、工程实践等方面的研究工作，深入分析软岩大变形的机理，进而优化了支护参数，总结出一套较完整的软岩大变形隧道的施工技术和变形控制措施。

前  言
   关于隧道开挖后的软岩大变形问题，国内外专家从理论到实践在各个领域都做了许多探索和研究，但是由于其复杂性，在软岩变形机理、变形控制技术、合理经济的支护手段等多个领域仍然存在许多分歧，尤其是针对某个特殊的具体工程，现有的理论和经验还具有一定的局限性。滨绥线牡丹江至绥芬河段扩能改造工程的兴源隧道地质条件复杂，其中大部分围岩为Ⅴ、Ⅵ级，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。针对其复杂的地质条件，通过参建各方的共同研究和实践，结合现场施工组织中的措施应用，本编写团队开展了隧道施工变形和受力的监测与分析、理论解析计算、弹塑性有限元数值模拟分析、黏弹塑性有限元数值模拟分析、工程实践等方面的研究工作，深入分析软岩大变形的机理，进而优化了支护参数，总结出一套较完整的软岩大变形隧道的施工技术和变形控制措施，成功解决了遇到的各种难题，顺利完成建设任务，通过对科研项目研究成果的思考与总结形成了本书内容。
相较于国内外同类研究，本书的主要特色和创新点如下：
（1）软岩大变形隧道支护参数
兴源隧道支护参数是通过借鉴国内外在相似地层条件下的支护参数，并根据本隧道所特有的条件通过二维和三维数值模拟分析的结果优选得到的，工程实践证明是合适的，其研究思路和方法相对比较独特。建议采用双层初期支护+二次衬砌的支护结构，第一层喷射混凝土厚0.28 m，配钢架Ⅰ22b，钢拱架间距为0.5 m；第二层喷射混凝土厚0.24 m，配钢架Ⅰ18，钢拱架间距为0.5 m；锁脚锚管采用长度为6 m、下斜角度为30°、2根89灌浆导管；二次衬砌厚度采用0.6 m。
（2）软岩大变形隧道极限位移及大变形管理等级
在参考已有成果的基础上，利用极限位移突变理论，结合兴源隧道实际工程，给出了该隧道的极限位移及大变形管理等级，对后续工程及相似工程有较大的参考价值。
①通过对尖点突变理论的应用，结合数值模拟手段，分析不同地应力释放系数下的洞周塑性应变规律，通过塑性应变发生突变所对应的应力释放系数来确定围岩稳定性的极限状态。分析结果表明，当应力释放率达到70%时，围岩稳定性发生突变，进入塑性流动阶段；当应力释放率在45%与70%之间时，围岩处于塑性发展阶段；而在此之前围岩尚处于弹性变形阶段。
②根据围岩稳定性的极限状态分析，通过对70%应力释放率下不同埋深（50 m、100 m、150 m）的数值模拟分析，得出了各埋深条件下隧道极限位移。
③在极限位移分析的基础之上，运用当前工程界普遍使用的三级管理机制对隧道围岩变形控制基准进行分级，提出了不同埋深下隧道的变形控制基准。
（3）隧道软岩大变形机理分析
从影响围岩大变形的各个因素入手，结合围岩的黏弹塑性分析，分析了兴源隧道的围岩大变形机理，即兴源隧道发生大变形是由围岩岩性的软弱、围岩的弯曲变形以及围岩和软弱夹层在地下水作用下发生软化而造成的。其变形特征为初期变形速率大、变形持续时间长、最终变形量大、纵向变形不均匀以及剪切现象严重等。在变形机理分析的基础上制定变形控制措施，使得变形控制措施更加合理有效。
（4）二次衬砌的合理施作时机通过对围岩变形速率为5 mm/d和2 mm/d两个二次衬砌施作时机进行计算分析发现，在围岩变形速率为5 mm/d时施作二次衬砌对围岩变形发展的控制能够起到很好的效果，但是由于二次衬砌施作时机太过提前，导致二次衬砌混凝土应力过大，已经超出了C35混凝土的屈服极限；而在围岩变形速率为2 mm/d时施作二次衬砌，围岩拱顶沉降和拱腰水平位移相对于在5 mm/d时施作二次衬砌分别增大18.03%和26.35%，施作的二次衬砌应力相对较小，能够满足C35混凝土的承载能力要求。据此可确定软岩大变形隧道的二次衬砌的合理施作时机，即可将围岩变形速率为2 mm/d作为二次衬砌施作时机。
（5）软岩大变形隧道施工变形控制措施
通过对不同变形控制措施进行有限元数值模拟计算，主要包括不同台阶长度、不同开挖进尺、不同台阶高度、不同锁脚锚管（长度、角度、直径组合）以及不同纵向连接形式，共五种不同的控制措施，并从围岩变形、支护受力等多个角度进行了对比分析，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。
①实施少扰动、早封闭的支护理念。针对兴源隧道大变形实际情况提出缩短台阶长度，减小开挖进尺的控制措施，以达到缩短支护封闭时间，减少围岩扰动次数的目的。建议台阶长度5 m，开挖进尺为0.5 m。
②对每个台阶拱脚均采取锁脚锚管加强的支护措施。通过对锁脚锚管不同长度、角度以及直径组合进行数值模拟分析，不同锁脚锚管角度对围岩变形的控制效果有着明显的差异性。分析结果表明，锁脚锚管长度6 m、7 m、8 m三种工况对围岩变形的影响没有太大差别，考虑经济合理的因素，推荐采用长度为6 m的锁脚锚管；上台阶宜采用下斜30°锁脚锚管，因为较大的角度有利于对上台阶支护结构提供更好的支撑力，能够充分发挥锁脚锚管的压弯效应；而中、下台阶适合采用下斜15°锁脚锚管，此时锁脚锚管的作用主要是控制支护结构在围岩的挤压作用下向临空面变形，锚管主要表现出抗拉拔效应，同时还兼顾控制支护结构整体下沉的作用；对4根42和2根89两种锁脚锚管工况的对比分析，认为都在安全合理的范围内，采用2根89的锁脚锚管支护较有利。
③在施工方法方面，针对三台阶七部开挖法，提出了采取控制台阶高度来减小围岩变形的措施，不同台阶高度的成拱效应是不同的，建议上台阶的高度为3.5 m。
④针对该隧道纵向变形不均匀、剪切现象严重的问题，采用增强纵向连接的措施，通过提高纵向连接的刚度来约束围岩的纵向位移，从而起到稳定支护结构，控制围岩变形的目的。建议采用14号槽钢作为钢拱架的纵向连接。
（6）软岩隧道大变形控制初期支护中钢拱架纵向连接结构本编写团队进行了软岩大变形隧道施工技术综合研究，并获得了软岩隧道大变形控制初期支护中钢拱架纵向连接结构专利授权。
本次研究存在的问题与今后工作方向展望：
（1）现在的研究主要集中在某个具体的问题或者是特殊的工程实例，缺乏一个普遍理论来解决当前所遇到的困难。同时，受现场试验和测试条件的限制，实测方面的资料相比预期目标，尚存在一定差距，其中某些规律性也未能得出，需不断积累资料，结合相关工程实践做进一步的深入研究。
（2）对在炭质泥岩页岩地区修建隧道，只能通过经验法和有限元来模拟等，大多开挖及支护方式都是遵循经验，在理论方面的研究相对较少，造成支护参数的选取过于保守，浪费较多的人力和经费。今后的发展中在确保安全施工的前提下应更加注重经济效益。
（3）炭质泥岩页岩等软岩的动态本构关系是仍处于探索状态的一个世界性难题，实际岩体的动态本构关系非常复杂。本项目数值模型所采用的本构关系是目前较为常用的弹塑性本构模型，不可避免的会与实际产生一定的差别。
（4）由于在炭质泥岩页岩地段施工时要求快速施工的原则，不同的支护时机下对支护参数要求各不相同。对现场的施工人员提出了更高的要求，因此，还需进一步完善该种工法，加强对现场技术人员和施工作业人员的技术指导与培训。
本书由邵志远、李德武、徐松、马学宁、范春宇、杨进京共同撰写，由李德武统稿。其中邵志远负责第3章第1～4节、第5章第 4～5节、第9章，李德武负责前言、第2章、第5章第7节、第6章第7节、第10章，徐松负责第3章5～6节、第6章3～5节，马学宁负责第4章、第5章第6节，范春宇负责第3章7～8节、第5章1～3节、第6章第6节，杨进京负责第1章、第3章第9节、第6章第1～2节、第6章8～11节、第7章、第8章。
本书是一本内容比较系统全面和实用的结合具体隧道工程的软岩大变形控制技术及施工方法的学术著作，可作为工程技术人员和研究生的参考书。
本书在编写过程中，得到了各方面专家和领导的指导，得到了中铁二十二局集团有限公司和兰州交通大学的研究经费和设备的支持，同时在本书撰写的过程中，参考和引用了大量的国内外文献，在此一并表示衷心感谢！
由于作者水平有限，书中难免有错误与不当之处，恳请国内外专家和读者批评指正。
  著者
2020年1月

目录

1引言1.1背景及研究意义1.2国内外研究现状
1.2.1软岩大变形机理的研究现状
1.2.2变形控制措施的研究现状
1.2.3极限位移与变形控制基准的研究现状
2兴源隧道位移反分析
2.1位移反分析国内外研究现状
2.2喷锚支护提供的最大支护抗力
2.2.1剪切滑移体的形成
2.2.2喷锚支护所提供的最大抗力的计算
2.2.3非圆形隧道的处理
2.3兴源隧道位移反分析
2.3.1位移反分析原理
2.3.2兴源隧道位移反分析
2.4小结
3兴源隧道施工监控量测与分析
3.1兴源隧道工程概况
3.1.1工程地质
3.1.2水文地质
3.2试验方案及测试项目
3.2.1支护参数
3.2.2施工方法及工序
3.2.3测试项目及方案
3.3进口段DK409+710断面监控量测分析
3.3.1变形监测分析
3.3.2围岩压力监测分析
3.3.3钢架应力监测分析
3.3.4二次衬砌接触压力监测分析
3.4进口段DK409+720断面监控量测分析
3.4.1变形监测分析
3.4.2围岩压力监测分析
3.4.3钢架应力监测分析
3.4.4二次衬砌接触压力监测分析
3.5斜井正洞段DK411+282断面监控量测分析
3.5.1变形监测分析
3.5.2围岩压力监测分析
3.5.3钢架应力监测分析
3.5.4二次衬砌接触压力监测分析
3.6斜井正洞段DK411+413.8断面监控量测分析
3.6.1变形监测分析
3.6.2围岩压力监测分析
3.6.3钢架应力监测分析
3.7出口段DK411+920断面监控量测分析
3.7.1变形监测分析
3.7.2围岩压力监测分析
3.7.3钢架应力监测分析
3.7.4二次衬砌接触压力监测分析
3.8出口段DK411+968.8断面监控量测分析
3.8.1变形监测分析
3.8.2围岩压力监测分析
3.8.3钢架应力监测分析
3.8.4二次衬砌接触压力监测分析
3.9小结
4兴源隧道塑性圈影响半径、初期支护承载力和开挖后变形计算
4.1塑性圈影响半径计算
4.1.1卡斯特奈塑性圈影响半径计算
4.1.2芬纳塑性圈影响半径计算
4.1.3塑性圈影响半径分析结论
4.2初期支护承载力计算
4.3隧道变形计算及变形分级
4.3.1隧道弹黏性计算模型
4.3.2隧道弹性计算模型
4.3.3计算参数确定
4.3.4隧道围岩变形计算与分析
4.3.5变形分级
4.4小结
5兴源隧道大变形段支护参数优化分析
5.1计算模型与计算参数
5.1.1计算模型的假定
5.1.2计算参数
5.1.3计算简图
5.1.4边界条件
5.1.5支护结构的数值实现方法
5.2锁脚锚管不同长度对比分析
5.2.1位移
5.2.2锚管轴向应力
5.2.3一层钢拱架（Ⅰ22b）应力
5.2.4二层钢拱架（Ⅰ18）应力
5.2.5一层喷射混凝土应力
5.2.6塑 性 区
5.3不同锁脚锚管下斜角度对比分析
5.3.1位移
5.3.2锚管轴向应力
5.3.3钢拱架应力
5.3.4喷射混凝土应力
5.3.5塑 性 区
5.4锁脚锚管不同直径对比分析
5.4.1位移
5.4.2锚管轴向应力
5.4.3钢拱架应力
5.4.4喷射混凝土应力
5.4.5塑 性 区
5.5钢拱架不同间距对比分析
5.5.1位移
5.5.2锚管轴向应力
5.5.3钢拱架应力
5.5.4喷射混凝土应力
5.5.5塑 性 区
5.6基于荷载—结构模型二次衬砌的不同厚度对比分析
5.6.1计算模型
5.6.2计算结果与分析
5.7小结
6兴源隧道大变形围岩段变形控制措施研究
6.1支护参数和施工方法
6.2材料参数及有限元模型
6.3三台阶七部开挖法不同台阶高度对比分析
6.3.1围岩变形及塑性区分布
6.3.2喷射混凝土应力分析
6.3.3锁脚锚管应力分析
6.4三台阶七部开挖法不同台阶长度对比分析
6.4.1围岩变形及塑性区分布
6.4.2喷射混凝土应力分析
6.4.3钢拱架应力分析
6.4.4锁脚锚管应力分析
6.5三台阶七部开挖法不同开挖进尺对比分析
6.5.1围岩变形及塑性区分布
6.5.2喷射混凝土应力分析
6.5.3钢拱架应力分析
6.5.4锁脚锚管应力分析
6.6三台阶七部开挖法不同锁脚锚管长度对比分析
6.6.1围岩变形及塑性区分布
6.6.2喷射混凝土应力分析
6.6.3锁脚锚管应力分析
6.7三台阶七部开挖法不同锁脚锚管角度对比分析
6.7.1围岩变形及塑性区分布
6.7.2喷射混凝土应力分析
6.7.3锁脚锚管应力分析
6.8不同锁脚锚管直径及组合对比分析
6.8.1围岩变形及塑性区分布
6.8.2喷射混凝土应力分析
6.8.3锁脚锚管应力分析
6.9三台阶七部开挖法不同纵向连接对比分析
6.9.1围岩纵向位移分析
6.9.2纵向连接轴向应力分析
6.10二次衬砌施作时机的黏弹塑性有限元模拟分析
6.10.1围岩的黏弹塑性特性
6.10.2黏弹塑性有限元模拟分析
6.11小结
7极限位移及变形控制基准
7.1基于突变理论的极限位移研究
7.1.1突变理论及突变模型
7.1.2极限状态的塑性应变突变判别准则
7.1.3突变理论在兴源隧道中的实际应用
7.2兴源隧道变形控制基准建立
7.2.1隧道稳定性极限位移判别准则
7.2.2兴源隧道变形控制基准的建立
7.3小结
8兴源隧道大变形机理分析
8.1大变形的定义及类型
8.2隧道围岩大变形破坏的影响因素
8.2.1岩体特性对围岩大变形的影响
8.2.2地下水条件对围岩变形的影响
8.2.3地应力场及支护强度对围岩变形的影响
8.2.4施工方法对围岩变形的影响
8.3围岩的黏弹塑性分析
8.4围岩的大变形机理分析
8.5小结
9兴源隧道软岩大变形施工技术
9.1施工方法
9.1.1超前地质预报
9.1.2开挖技术
9.1.3超前支护
9.1.4钢架架立
9.1.5锁脚锚管/系统锚杆
9.1.6注浆施工
9.1.7衬砌施工
9.2施工取得的效果
10结论及展望
10.1结论
10.2展望
参考文献

邵志远，1993.9—1997.7兰州铁道学院土木工程专业攻读本科；1997.7—2004.4在哈尔滨铁路局哈建集团三公司工作，工程师；2004.5—至今在中铁二十二局哈建集团工作，高级工程师、项目经理。李德武，兰州交通大学土木工程学院，男，教授，多年从事桥梁与隧道课程的教学工作，曾参与编写过《隧道工程》等多部教材。徐松，自从2015年以来，任中铁22局哈牡客专项目部副经理，科研成果获得省部级奖2项，获得专利授权3项。马学宁，教授，博士博士后，全国注册岩土工程师。主要从事高速铁路路基及桥路过渡段结构系统动力分析研究、特殊土地区地基处理及边坡支挡研究、基础工程及隧道工程方面的研究。主持或参与国家自然科学基金3项、 省部级厅局级科研项目20余项。发表相关学术论文60余篇，其中SCI、EI收录18篇，获批国家发明专利3项，获省部级科研奖励3项，厅局级奖励5项，出版专著1部，教材3部。范春宇，男，自从2015年以来，任中铁22局哈牡客专项目部总工程师，科研成果获得省部级奖2项，获得专利授权3项。杨进京，男，2012年本科毕业于兰州交通大学土木工程专业，2015年硕士毕业于兰州交通大学建筑与土木工程专业。在校期间主要从事隧道及地下工程的研究工作，硕士毕业论文“炭质泥岩夹砂岩隧道大变形机理及控制措施研究”基于“兴源隧道软岩大变形控制技术及施工方法研究”，其研究成果为本教材编写提供了部分素材。2015年至今，就职于中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，在职期间作为隧道专业设计负责人承担了大丽城际、呈红城际、东巧线、西丽线等多个项目的预可研和可研任务，现担任渝昆高铁隧道专业设计负责人，负责本专业初步设计和施工图阶段的设计工作。目前正参与研究“云南典型软岩隧道灾害预测与控制关键技术研究”和“运营隧道病害快速检测机器人的研发与应用”等科研项目。获得《基于监控量测控制隧道初期支护变形的支护结构》《一种拼装式的临时支护系统》《一种地下水与有害气体的分离装置》《一种隧道及地下工程结构用可维护式泄水系统》《隧道及地下结构的排水装置》《快速拼装式的隧道初期支护结构》《装配式隧道锁脚锚杆与支护钢架连接构件》《一种软岩大跨隧道开挖支护结构》实用新型专利8项；《一种富水铁路隧道道床翻浆冒泥病害防治结构》发明专利1项。

从事软岩大变形隧道的科学研究、工程设计、施工和建设管理人员及高等院校有关专业师生参考。