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我国黄土高原地区广泛分布着一层厚度从数米到上百米不等的三趾马红土,其主要分布在甘肃、陕西、山西等地,其中以山西吕梁地区最为典型。近年来,该地区修建了大量的隧道工程,当隧道工程在穿越该地层时遇到一系列的工程地质问题,目前有关三趾马红土工程性质的研究还比较薄弱,因此,研究三趾马红土围岩变形规律具有重要的理论意义和现实意义。本文以吕梁地区某隧道(按铁道部保密要求这里不提及具体隧道名称)工程为依托,选取典型断面,采用现场监测与室内试验、定性与定量分析相结合的研究方法,首次对三趾马红土围岩变形规律进行研究,取得的主要成果如下：首先,在查明区域环境地质条件的基础上,依托先进的土工测试手段(粒度分析、X-RAY能谱分析、扫描电镜、直剪试验、静三轴试验、动三轴试验、大型直剪试验等),从三趾马红土的物质成分、微观结构特征、静力力学性质、动力力学性质等方面入手,对三趾马红土工程地质特性进行深入研究,为数值模拟分析提供计算参数。结果表明,高黏聚力是三趾马红土强度的最大特征；结核、裂隙、水是影响三趾马红土强度的主要因素。其次,选取典型断面进行施工现场监测,监测内容包括：拱顶沉降、周边收敛、围岩应力、体积含水率、孔隙水压力、钢拱架应力等。结果表明,三趾马红土深埋隧道采用三台阶七步开挖时,拱顶沉降大于周边收敛；围岩应力呈现“上大下小”的趋势；钢拱架应力变化规律与围岩应力基本一致,钢拱架各测点以受压为主,个别测点在施工过程中出现拉应力；围岩含水率及孔隙水压力随时间的增大而增大,随着含水率趋于饱和,孔隙水压力逐渐趋于稳定。再次,采用MIDAS/GTS有限元软件建立隧道二维模型,研究隧道施工过程中三趾马红土隧道位移场、应力场、锚杆轴力及初期支护轴力、弯矩的变化规律。通过对比可得,三趾马红土隧道数值模拟计算结果与实际监测结果基本一致。最后,将灰色理论应用到三趾马红土隧道变形预测中,基于部分监测资料,分别采用灰色理论的GM(1,1)模型、新陈代谢GM(1,1)模型、Verhulst模型及一元非线性回归模型建立围岩变形预测模型,将预测结果与实际监测数据进行对比分析,结果表明,新陈代谢GM(1,1)模型是适合三趾马红土围岩变形预测的一种优越模型。