本文结合实际工程,在收集、分析前人研究结果的基础上,通过工程现场地应力测量,室内试验分析和模型计算,运用工程地质学、岩体力学等多学科理论和方法,开展新疆精伊霍铁路北天山越岭特长隧道工程区地应力场、工程稳定性、地质灾害等方面的研究工作。通过隧道工程区及其周围区域地质构造的研究、理论研究和相关的试验研究,建立了隧道工程区地质模型;通过有限元模拟,对该隧道区的地应力状态(包括其大小、方向及其分布规律)进行了定量的分析;通过精伊霍铁路北天山越岭隧道现场水压致裂地应力测量和模拟结果,对隧道围岩的稳定性进行了探讨,并对隧道开挖后产生的地质灾害(如岩爆)进行了预测。重点研究4个方面:1.通过工程现场地质调查,对隧道工程区的地质环境进行评价;2.通过水压致裂地应力测量,研究工程区地应力场的分布规律;3.通过区域构造地应力场与跨断层隧道断面三维有限元的仿真模拟,研究隧道区应力场、隧道围岩应力的分布特征和隧道断面最佳形状;4.通过隧道围岩的应力状态,预测隧道沿线开挖过程发生岩爆的可能性,并研究岩爆的类型、级别及其发生地段。经过近2年的研究取得了以下初步进展和认识:1.通过收集前人的资料,对隧道工程区的地质环境进行了评价。研究表明:隧道区地质条件复杂,隧道最大特点是深埋(近1000m)、特长(13.62km);区内主要活动性断裂有2条(博罗科努山北坡断裂和博罗科努山南坡断裂);直接影响隧道开挖的断层有2条(乔利卓塔断层F15和蒙马拉勒断层F18),其中,F18断层属于活动断层,现今仍在活动,对隧道的建设影响最大。2.采用水压致裂法对隧道区3个地应力测试孔进行了地应力测量,测试结果及分析表明:①现今区域应力场以近南北向挤压为主,与NE向铁路隧道所成夹角较大,由于最大水平主应力与垂直主应力相差较大,不利于隧道围岩的稳定。②隧道两端现今最大主压应力量值随深度增加而增加。在离地表100m范围以内,最大主应力值为0～12MPa;在距地表100～400m范围内,地应力值为12～21MPa。③现今区域地应力场以水平应力为主,属于逆断层状态;最大与最小主应力差值在2.70～15.24MPa范围内,其比值在1.44～6.49范围内变化,即隧道围岩的岩体存在剪应力;④隧道区主应力方向与区域震源机制解方向基本一致。3.本文以实测数据、试验数据和地质构造分布特征为依据,利用ANSYS有限元软件建立了地质模型,通过模型的模拟分析,完成了北天山特长隧道区地应力场的模拟。数值模拟结果表明:①现今区域应力场方向以NNW向挤压为主,与NE向铁路隧道成大角度相交,在隧道的中、浅部,地应力的方位受到地形等因素的影响而有所变化。②现今最大主压应力量值与实测值一致。在埋深为0~400m范围内,地应力模拟值与实测数据非常接近。③剖面上最大主应力等值线的起伏与地形变化基本一致。④断层带对最大主应力分布的影响十分明显,表现为等值线明显沿断层破碎带向下偏移。为了选择合理的隧道断面,对跨F15断层(乔利卓塔断层)隧道段地质体进行的有限元分析,模拟表明圆形隧道与直墙圆拱形隧道的应力状态相差不大,且均处于稳定状态,考虑到隧道断面的充分利用,同时通过分析隧道围岩的应力状态及开挖的土石方量,本隧道形状选择直墙圆拱形。4.运用工程地质力学、理论力学、弹塑性力学等基本理论,以具体工程为例,初步提出了深埋特长隧道主要地质灾害(如岩爆)预测的思路和方法。本文全面系统地总结了关于岩爆类型的划分方法,并在分析影响岩爆发生的8大因素的基础上,提出以岩石单轴抗压强度Rc与最大地应力σ1的比值作为判别精伊霍铁路北天山特长深埋隧道岩爆发生的指标,着重预测了北天山隧道岩爆灾害发生的部位,通过各种岩爆判据进行判断表明,北天山隧道存在发生岩爆的可能性,并对隧道开挖过程中所遇到的地质灾害进行了分段预测。