随着高速铁路网布局的进一步完善,隧道在新建铁路中所占比例越来越高,其中穿越地质条件极其复杂的软岩大变形隧道对隧道修建的施工技术与方法提出了更高的要求。本文以牡绥线兴源隧道为实际工程背景,采用现场调研与试验、理论分析与计算,以及数值模拟等综合分析方法,对炭质页岩大变形隧道的施工方法进行研究。主要研究内容和成果如下:(1)根据现场调研情况以及施工现场监控量测的结果分析,概括总结出兴源隧道炭质页岩段围岩具有变形量大、变形速率快、围岩压力大和变形持续时间长的特征,围岩变形表现出较强的流变特性。(2)现场应力应变监测结果结合工程水文地质资料,从岩体自身特性、地下水因素、软弱夹层以及施工方法四个方面探讨了影响围岩变形的因素。炭质页岩围岩岩性软弱、破碎、强度低是大变形的内在因素;其薄层状构造使得围岩发生弯曲变形,决定了大变形的类型;而地下水等环境因素加剧了大变形的发展;施工扰动则影响着围岩变形发生的概率与程度。同时得出,高围压下的软岩塑性流变、层状岩体的弯曲变形以及软弱夹层的软化作用,共同决定了炭质页岩的变形机理。(3)通过对兴源隧道试验段Ⅵ级围岩在不同条件下塑性圈分布情况的理论计算,得出拱腰至拱脚处塑性区范围受影响较大,塑性圈范围随埋深的增加而增大。根据剪切滑移破坏理论,对隧道试验段双层初期支护结构的承载力进行理论计算分析,验证了双层支护结构的稳定性。由洞壁位移公式,计算分析得出不同埋深下围岩变形与时间的关系,进一步揭示了试验段围岩的流变特性。由变形计算分析结果以及现场监测数据,并结合实际情况对兴源隧道试验段进行大变形分级,得出隧道试验断面属于Ⅱ级大变形。(4)通过三维施工过程有限元数值模拟软件,对围岩变形和支护结构受力起控制效果的施工方法进行数值模拟优选分析,同时根据兴源隧道试验段特点针对性的提出了不同的变形控制措施。即从开挖方法、开挖进尺、台阶长度、掌子面前方预加固范围与长度,以及双层初期支护施作间隔时机等方面层层优化得到:三台阶七步留核心土的开挖方法,配合0.5m开挖循环进尺、5m台阶长度,同时超前预加固选择6m长180°范围以及双层初支间隔1榀施作,其组合方案为适宜隧道炭质页岩试验段的最优施工方法。