隧道及地下工程中,由软弱岩体构成的围岩,在高地应力(或相对高地应力)、地下水或自身膨胀性能的作用下,其自承能力丧失或部分丧失,产生具有累进性和明显时间效应的塑性变形且变形得不到有效约束的现象,称之为围岩大变形。它既区别于岩爆运动脆性破坏,又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏。围岩大变形将破坏支护结构、侵入断面限界,若处理不当将造成塌方,甚至将隧道完全堵塞,极易造成施工人员伤亡、毁坏施工设备、延误工期、增加工程成本,是隧道和地下工程中一种常见而又危害较大的地质灾害。都汶公路龙溪隧道自2004年施工至今,已多次出现大变形险情。查明大变形机制,开展大变形预测预报,有针对性地制定支护措施,对保证龙溪隧道工程的顺利施工有着重要的意义。同时,在丰富和发展大变形研究理论方面也将有具有重要的学术价值。本文详细阐述了龙溪隧道工程地质条件,对隧道区地应力场分布特征及形成原因进行了研究;基于大量的施工地质跟踪调研、室内外测试,阐明了龙溪隧道围岩大变形的形成机制;在工程地质分析的基础上,运用地下工程现代支护理论和施工理念,结合现代监测技术和数值模拟方法,从大变形的预测、支护两个方面对大变形的防治进行了探讨。主要获得以下研究成果:(1)采用施工阶段现场应力解除法实测了隧道的三维地应力,结合围岩构造形迹和地震地质分析,认为应力解除法获得的主应力方向较为可靠,即最大主应力方向为NE向(与区域应力场不一致),与隧道洞轴线呈大角度相交,对围岩稳定性不利;龙溪隧道洞身段最大主应力量值为24～29MPa,最大横断面主应力量值为21～24MPa,根据《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)附录B,洞身段围岩已处于相对高应力状态;通过对围岩的产状调查和构造特征分析,得出了地应力测点前后一定洞身范围内构造应力分量基本一致,并根据叠加原理提出了该洞段应力估算方法。(2)通过隧道围岩地质特征、赋存状态和变形破裂特征跟踪调研,对龙溪隧道围岩大变形的形成力学机制、破坏模式进行深入研究。认为龙溪隧道围岩大变形机制主要有软岩塑性流动型、塑性剪切滑移型和薄层状软岩弯曲型三种,其中塑性剪切滑移又细分为塑性楔体剪切滑移、塑性剪切滑移、卸荷回弹剪切滑移三种。(3)从理论上阐明了大变形预测的几个基本问题及预测系统的构建。根据龙溪隧道实际情况提出了具体预测原则,即必须考虑岩体结构和地应力因素,遵循动态预测和综合分析,形成了一套针对龙溪隧道较完整的、分阶段的大变形预测方案,通过对典型段落的具体应用,证明了该预测方案的适用性、可操作性和有效性。(4)对大变形预测常用的应力强度比法进行了探讨,提出了修正的应力强度比法,即,采用隧道横断面大主应力和岩体强度的比值进行预测,建议采用完整性系数法和Hoek-Brown经验强度准则公式估算岩体强度,更符合工程实际情况。通过对已有大变形隧道和龙溪隧道已变形段的检验性分析,初步证明了其可行性。(5)依据新奥法思想和公路隧道施工技术规范对龙溪隧道应用新奥法的情况进行了评价,采用有限元软件对龙溪隧道实测应力场下不同支护参数对围岩的加固效果进行数值模拟分析。在变形力学机制和预测研究的基础上,针对龙溪隧道特有的地质特征建立了一套服务于支护设计的围岩分类方案。在以上研究成果基础上确立了大变形的支护原则,制定了一套大变形支护设计方案。