随着我国西部大开发战略的进一步深入,西部地区的经济发展速度达到前所未有状态,也越来越需要更完善的交通网络体系来支撑经济产业的发展。由于西部地区多山多谷,地形起伏较大,为了更好地进行展线布线,交通线路穿山越岭的地方较多,使得山区交通工程桥隧比例较高,建设难度也相应增加。山岭隧道所处的工程地质环境千变万化,在软弱围岩地区修建隧道工程时围岩大变形始终是设计和施工过程中比较棘手的问题。由于软岩隧道大变形普遍具有位移量大、发展速度快、变形时间长和围岩扰动范围大等特点,所以从隧道开挖到修建完毕,甚至包括后期运营的整个过程都伴随着围岩与支护结构的一系列力学行为,研究这些力学行为的变化规律对于隧道及地下洞室的修建具有重要作用。鉴于此,本文以叙大铁路(叙永—大村)工程中较为典型的软岩偏压隧道——核桃湾隧道工程为依托,立足于软岩偏压隧道施工的实际需要,从改变隧道开挖断面几何形式的角度研究软弱围岩变形控制技术。主要基于正交试验原理进行多组数值模型,利用单因素效应曲线分析、极差分析、方差分析等方法对影响软岩变形的几何参数进行研究,从中挑选出因素之间的最优组合作为最佳方案。位于川南地区叙永至大村铁路的核桃湾隧道在施工过程中,围岩出现掌子面失稳、塌方、初衬失效等工程问题,这些问题具有发生频率高、影响范围大、致灾严重的特点,对核桃湾隧道工程的建设与安全运营带来了巨大风险。因此,分析在这类围岩结构特征中隧道开挖围岩稳定性,并且探索隧道在该类岩体中开挖的变形控制施工技术,本文主要对以下内容做了研究:(1)通过工程地质勘察资料和室内试验数据的分析表明:核桃湾隧道围岩中原生结构面和次生结构面皆非常发育,各类结构面相互切割使得围岩十分破碎。其中,层理间距约1cm,连续性较好,多呈微张状态;节理、裂隙间距一般为2~6cm,具有一定贯通性,长度随岩块厚度变化,通常呈张开状态,多夹方解石脉或极薄的泥膜。隧址区内岩层走向为NE向,与隧道开挖方向基本一致,倾斜岩层角度约45°,构成了隧道偏压的内因。在众多结构面中,层面对围岩稳定的控制性作用是非常明显的。软弱围岩整体具有可塑性高、膨胀性较强、崩解性强、抗扰动性差、偏压特性较强以及流变特性较弱等工程特性。隧道围岩变形兼具多种破坏机制,主要包括塑流、膨胀、梁板弯曲和楔体变形四个方面。(2)数值分析结果表明,隧道开挖主要对周围3倍洞径以内的岩体力学行为影响较明显。洞周围岩应力较大部位主要集中在隧道左下部和右上部,沿软弱条带呈现明显的左低右高的偏压特征。从隧道开挖后的塑性区域范围在洞周呈现明显的不规则形状。在顺层方向约3倍洞径范围内,塑性区有明显的延伸,主要以剪切破坏为主;而在垂直层面方向,洞周塑性区范围约1.5倍洞径,以梁板弯曲破坏模式为主。整体说来,软弱层面的存在阻断了应力和位移等值线的延续性,对围岩的力学性质和变形特性影响极大。(3)隧道在无支护开挖的情况下,纵向变形曲线具有明显的阶段性,存在超前变形段、变形急剧增大段、缓慢变形段三个阶段。其中,隧道掌子面前方超前位移的特点是:主要分布在掌子面前方约1.5倍洞径范围,变形缓慢且在掌子面处达到最大值,约占最终变形量的30%。掌子面后方位移的动态特点是:初始阶段位移增加速度快,位移量也较大,表现为变形急剧增大的趋势,主要分布于0~1.5倍洞径范围,位移约占最终变形量的60%;后期阶段位移变化逐渐变缓,或者逐渐趋于稳定,主要分布在1.5~3倍洞径范围,约占最终变形量的10%。随着开挖面的推进,隧道位移的阶段性也逐渐往前移动。因此,支护的目的主要是每个开挖循环过程中,控制超前变形量和后期位移的收敛距离。(4)基于正交试验设计原理对核桃湾偏压隧道软弱围岩台阶法施工的相关断面几何参数进行分析,结果表明:掌子面竖向斜率和台阶高度是围岩变形最为敏感的因子,影响效果其次的是掌子面横向斜率和台阶长度,影响最小的因素是台阶斜坡坡度。综合正交分析与施工实际情况来看,最佳开挖断面几何参数为:台阶长度4m,台阶高度4.95m,斜坡坡率1:5,掌子面竖向斜率1:0.25,掌子面横向斜率1:0.5,此时隧道软弱围岩变形控制效果最佳。