1、近年來，我國交通隧道建設取得了前所未有的發(fā)展，并已成為世界隧道及地下工程建設規(guī)模和建設速度第一大國。隨著隧道建設規(guī)模和速度的迅猛發(fā)展，建設過程中所規(guī)劃的隧道難免要穿過高應力、軟弱破碎等復雜條件地層，同時日益增長的交通流量對雙向八車道等跨度更大的超大斷面隧道需求劇增。一大批具有“大斷面、高應力、長洞線、極軟弱”等特點的隧道即將在復雜地質條件下修建。設計和施工規(guī)范對此類復雜條件超大斷面隧道規(guī)定不足，圍巖施工過程變形破壞機理缺乏明確，傳統(tǒng)支護

2、方式不能適應現(xiàn)實需要等問題導致該類隧道的安全及穩(wěn)定問題突出，超大斷面隧道軟弱圍巖破壞控制機理及支護技術亟待進行深入研究。地下工程約束混凝土高強支護技術在深部復雜條件礦山等工程中得到了應用，圍巖控制效果得到了驗證。目前針對超大斷面隧道軟弱圍巖約束混凝土控制技術的研究國內外處于起步階段，在此背景下，本文主要進行了以下的研究工作，并取得了相關有益結論。
　　(1)超大斷面隧道施工過程變形破壞及控制機制模型試驗研究
　　基于龍鼎隧道

3、現(xiàn)場工程地質條件，進行了超大斷面隧道CRD開挖方法下施工過程地質力學模型對比試驗，分析了有無高強支護條件下圍巖位移、應力演化規(guī)律，支護構件受力特性，揭示了超大斷面隧道施工過程中圍巖變形破壞機制與圍巖控制機制，驗證了理論分析和數(shù)值計算的正確性，為超大斷面隧道高強初期支護設計和施工安全提供了依據(jù)。
　?、偎淼朗┕み^程中，原巖應力不斷釋放，拱頂豎向應力整體呈現(xiàn)不斷減小的趨勢;掌子面的開挖擾動范圍約為1.1倍洞徑左右;相同開挖斷面上不同部

4、位的應力變化過程不同步，拱頂一般最早出現(xiàn)應力釋放;右洞、左洞開挖完成后高強支護與無支護條件下的拱頂應力釋放率分別為87.2％、81.7％和94.7％、94.5％，高強支護對巖體應力釋放產生了一定的抑制作用，有利于控制圍巖變形。
　　②模型內部測點位移呈現(xiàn)類似階梯狀變化，CRD開挖工法下開挖前期出現(xiàn)雙點階梯狀突增現(xiàn)象，后期隨著監(jiān)測斷面遠離掌子面，這一現(xiàn)象基本消失。高強支護比無支護條件下左、右拱頂近點位移分別減少了32.8、34.5％

5、，遠點位移分別減少了59.3％、50.0％，小凈距分別減少了31.3％、36.8％，高強支護條件下圍巖位移整體低于無支護條件，對圍巖控制效果明顯。
　　③拱架整體受壓，呈非對稱分布狀態(tài)，開挖擾動范圍內，不同部位測點應力增加幅度與規(guī)律差異較大。遠離擾動范圍后，各測點僅是受力增加，整體分布形態(tài)基本保持不變;受右洞先期開挖對小凈距一側巖體造成的擾動影響，左洞拱架受力分布非對稱特征更加明顯，受力主要集中在小凈距一側。
　　(2)超大

6、斷面隧道軟弱圍巖高強控制機制對比研究
　　系統(tǒng)開展了全斷面、CRD、雙側壁導洞三種開挖方法下超大斷面隧道軟弱圍巖控制機制數(shù)值試驗，對比分析了不同開挖方法在無支護、錨桿支護、H型鋼拱架支護、方鋼約束混凝土(SQCC)拱架支護、H型鋼拱架+錨桿支護、方鋼約束混凝土拱架+錨桿支護六種支護方式下隧道圍巖變形、塑性區(qū)發(fā)展、支護構件受力變化規(guī)律，研究了超大斷面隧道軟弱圍巖約束混凝土高強控制機制。
　?、僭诓煌瑖鷰r應力等級和強度等級條件下

7、，對不同開挖方法、不同支護方式的拱頂位移、圍巖塑性區(qū)控制效果進行了對比分析，建立了拱頂位移控制率及圍巖塑性應變控制率定量評價指標。隧道變形最大的全斷面開挖方法在圍巖強度等級為A9時，錨桿支護、H型鋼拱架支護與方鋼約束混凝土拱架支護的拱頂位移控制率和塑性應變控制率分別為54.6％、66.8％、81％和40.6％、60.6％、82.4％，高強支護對隧道軟弱破碎圍巖變形、塑性區(qū)范圍的控制效果優(yōu)于普通支護。
　　(3)約束混凝土拱架承載特

8、性計算理論研究
　　基于任意節(jié)數(shù)、非等剛度約束混凝土拱架力學計算模型，推導了多心拱架內力計算公式，建立了不同類型構件的強度承載判據(jù)，分析了不同因素對拱架內力、強度承載能力的影響規(guī)律;依據(jù)拱架失穩(wěn)特征，推導了兩鉸和固接多心拱架的穩(wěn)定承載力計算公式，建立了多心拱架穩(wěn)定性加權模型，分析了不同因素對穩(wěn)定臨界荷載的影響規(guī)律。
　?、倩谖逍?、六心、圓形等不同形式約束混凝土拱架的計算模型，推導了任意節(jié)數(shù)、非等剛度拱架的內力計算公式，分析

9、了荷載q、側壓力系數(shù)λ、節(jié)點剛度比μ、拱架抗彎剛度E及節(jié)點定位角α等因素對拱架內力的影響規(guī)律。當荷載q和側壓力系數(shù)λ線性增大時，內力也隨之線性增大，荷載變化只改變拱架內力大小，側壓力系數(shù)對拱架內力大小和內力圖形態(tài)都有影響，荷載和側壓力系數(shù)對內力影響較大。
　?、诨诜戒摷s束混凝土和型鋼構件的承載力計算公式，建立了SQCC150×8、SQCC180×10、I22b和H200×200不同截面形式拱架的極限承載力判據(jù);對比分析了各因素對

10、不同截面形式的五心、六心和圓形拱架強度承載力與破壞位置的影響規(guī)律。含鋼量相同的情況下，SQCC150×8拱架承載力比I22b拱架高1.4-1.9倍，SQCC180×10拱架比H200×200拱架高1.8-2.4倍，約束混凝土拱架比型鋼拱架具有更高的強度承載能力。
　　(4)約束混凝土構件性能對比研究
　　對工字鋼、H型鋼、U型鋼、勁性混凝土、SQCC五類基本構件進行了軸壓、純彎、偏壓力學性能試驗，得到了理論分析計算參數(shù)，確定

11、了數(shù)值試驗方法和反演了數(shù)值計算參數(shù)，明確了各類構件基本力學性能與關鍵部位補強機制，建立了基本構件壓彎強度判別準則。
　?、偻ㄟ^含鋼量相近的基本構件軸壓試驗比較，SQCC短柱承載能力比其他三類短柱高32.3％-73.1％，同時在軸壓作用下沒有出現(xiàn)型鋼短柱承載能力下降的現(xiàn)象，反映出方鋼約束混凝土較好的強度和后期承載能力。
　?、诩s束混凝土構件灌注口附近位置會產生明顯的應力集中現(xiàn)象，灌注口率先壓扁進而導致整體側傾失穩(wěn)破壞，使其成為

12、關鍵破壞部位。進行了三種不同方式的補強試驗，側彎鋼板補強短柱灌注口及附近位置強度得到大幅提高，短柱應力集中程度明顯降低，極限承載力比開口短柱提高45.6％，補強效果最好;通過試驗得到了側彎鋼板長度及壁厚對灌注口補強特性的影響規(guī)律，明確了構件灌注口補強機制，給出了針對性的工程建議。
　　(5)約束混凝土拱架力學性能對比試驗研究
　　通過對自主研發(fā)的地下工程約束混凝土拱架大型力學試驗系統(tǒng)改造，分別進行了方鋼約束混凝土、圓鋼約束混

13、凝土、工字鋼、U型鋼等不同類型的六心和圓形共10榀拱架大比尺力學試驗，結合數(shù)值對比試驗，對拱架在不同荷載作用模式（均壓和偏壓）下的變形破壞形態(tài)，內力、應力分布特征，關鍵破壞部位，極限承載能力進行了深入研究，并與理論計算進行了對比分析，驗證了理論計算的正確性。
　?、贅O限承載能力
　　A.六心拱架:SQCC150×8拱架相比于I22b、I22b-C（I22b勁性混凝土）拱架在均壓作用下，極限承載能力分別提高了84.6％和38.

14、2％;在偏壓作用下，承載能力分別提高了78.1％和42.8％; SQCC180×10拱架相比于H200×200、H200×200-C(H200×200勁性混凝土)拱架均壓作用下極限承載能力提高了105.0％和72.7％，偏壓作用下提高了71.5％和61.5％。
　　B.圓形拱架:SQCC150×8-C40拱架偏壓作用下承載能力比CC拱架（圓鋼約束混凝土拱架）、I22b拱架、U36拱架分別提高了4.6％、72.2％、74.9％;均壓

15、作用下分別提高了11.1％、409.8％、414.5％。
　　方鋼約束混凝土拱架與型鋼拱架相比，承載能力有了大幅提高，同時其均壓作用下的極限承載能力遠高于偏壓作用。
　?、谧冃纹茐哪Ｊ郊瓣P鍵破壞部位
　　A.六心拱架:全均壓作用下拱架底拱最先出現(xiàn)破壞，向拱架內部凹陷，拱頂及兩幫沒有出現(xiàn)強度破壞，拱架整體呈“心”形變化;拱底約束均壓和偏壓作用下，拱架整體形狀變扁平，分別在幫部和拱腳最先出現(xiàn)強度破壞。
　　B.圓形拱

16、架:均壓作用下，室內試驗加載達到8000kN時，SQCC和CC拱架均未造成破壞。偏壓作用下，四類拱架均變形為橢圓狀，在項部和幫部位置產生強度破壞。
　　(6)約束混凝土拱架設計方法及應用
　　通過對超大斷面隧道軟弱圍巖變形及控制機理研究，結合約束混凝土構件、拱架力學性能分析，提出約束混凝土拱架設計方法;根據(jù)現(xiàn)場地質條件與隧道設計要求，確定外荷載大小及作用模式，基于所建立的約束混凝土拱架理論，對拱架承載能力、截面選型、節(jié)點參數(shù)

17、等進行計算，提出整體設計方案，同時利用數(shù)值計算對方案進行校核。
　　針對全國典型極軟巖礦區(qū)龍礦集團梁家煤礦圍巖控制難題，利用所提出的設計方法確定了高強約束混凝土支護方案，開展了現(xiàn)場試驗，120天后巷道最大變形量僅為37mm，成功解決了該類地質條件下傳統(tǒng)支護的失效破壞現(xiàn)象，取得了良好的圍巖控制效果，驗證了設計方法的正確性。針對山東省首條單向四車道超大斷面隧道-京滬高速濟南連接線龍鼎隧道斷層破碎區(qū)圍巖控制難題，設計了SQCC180×1