随着我国经济的高速发展,既有基础交通设施已难以满足人们对出行的要求。为了让国民享受更加便捷的交通出行,我国大力发展高速铁路、公路和城市地铁等基础交通设施。铁路或高速公路穿越的地区广阔,地质气候环境条件截然不同,千枚岩就是其中一种具有代表性的地质条件。本文依托于拉林铁路香嘎山隧道,隧道掘进遭遇千枚岩堆积体,存在较严重的围岩大变形问题,且原设计与增补方案均无法有效控制,针对于此,提出双层初期支护的技术方案应对千枚岩隧道大变形问题。双层初期支护相比单层初期支护,设计上有更大灵活性,影响参数更多,现有研究成果多集中于工程实践,相关理论研究成果缺乏。因此,本文通过理论分析结合数值模拟手段,对千枚岩大变形隧道采用双层初期支护在不同开挖工法下,选取不同初期支护厚度比以及不同施做时间的支护效果进行了较系统的研究。主要研究成果如下:(1)对香嘎山隧道围岩大变形的原因进行了分析,隧道出现大变形问题主要是因为千枚岩岩性较弱,隧道埋深大存在较高地应力,掌子面存在渗水情况,进一步弱化千枚岩岩性,千枚岩岩体基本处于塑性状态,一旦变形基本为不可恢复的随性变形,且变形量大,从而造成隧道大变形情况。(2)针对现场原支护设计方案与增补方案的不足进行了分析,提出了采用双层初期支护的技术方案,并对双层初期支护工作特性进行了分析。基于弹塑性假设,提出双层初期支护的3种工作模式:(1)单一支护工作模式:第一层初期支护单独工作的阶段,第二层初期支护未施做;(2)双层弹性支护工作模式:两层初期支护均已施做,并共同变形承担围岩荷载;(3)双层弹塑性工作模式:两层初支中有一层支护达到极限承载力而进入塑性状态,另一层支护还未达到极限承载力的状态。而随着两层初期支护均达到极限承载力后,若仍无法与围岩压力平衡,则双层支护系统破坏。(3)对两层初期支护的截面应力分配情况进行分析和理论推导。并得出结论:第一层初期支护所受荷载由两部分组成,分别为第一层初支单独工作时承担的围岩荷载,以及两层初期支护共同工作时产生的“新增荷载”;而第二层初期支护承受荷载全部来自于“新增荷载”。通过理论推导,得出截面荷载分配与以下参数相关性最大:(1)围岩荷载量;(2)各层初支截面尺寸;(3)各层初支材料弹性模量。若两层初支间的应力差值过大,会造成粘结层剪切破坏,因此双层初支之间的粘结层应当选用具有早强且抗剪的材料。(4)通过数值模拟,分析了全断面法、上下台阶法以及三台阶法3种开挖工法下的双层初期支护抗弯刚度比与支护效果的关系。认为采用上下台阶开挖方法能够控制围岩变形,又保证施工便捷性,采用20/20的初支厚度比,能更好实现两层支护间的应力均衡分配。(5)通过数值模拟,分析了采用上下台阶法并选取20/20初支厚度比时,不同双层初期支护施做时间组合对支护效果的影响。计算得出,第一层初期支护施做时间对围岩变形影响最大,第一层支护施做越晚,围岩变形越大,且同一隧道断面轮廓变形差异存在不均匀性,差异最明显的部位为拱腰。第二层初支施做时间对两层支护的荷载分配影响最大,第二层支护施做越晚,第一层支护分摊荷载越多,整体支护所受荷载越少。综合研究结果得出:拉林铁路香嘎山隧道大变形段选择上下台阶法施工为宜,采用双层初期支护,选取20/20的初期支护厚度比,第一层初支紧跟掌子面施做,第二层初支延后4~8倍循环进尺长度施做,既达到对围岩变形量的控制,同时保证支护结构具备一定的安全富余。