软岩的流变特性,作为岩石力学中重要组成部分,与隧道工程的长期变形与安全性密切相关。长春地铁一号线区间隧道的主要施工工法为浅埋暗挖法和盾构法,研究区内两工法施工区间相邻,工程地质条件近似,施工过程中对隧道开挖引起的地表沉降、隧道内拱顶及收敛变形进行监测。隧道主要埋藏于强风化泥岩层内,强风化泥岩较为软弱,具有明显的流变性,进行室内直剪蠕变试验研究了强风化泥岩的流变特性。通过Peck沉降槽公式法与随机介质理论对施工引起的地表变形特点进行了研究,并与实际监测数据对比分析。在考虑围岩流变特性的基础上,通过收敛约束法理论对隧道围岩与支护之间的相互作用关系进行了分析研究。论文的主要研究工作包含以下几个方面:1.对研究区地铁隧道开挖面处进行现场的强风化泥岩取样,进行基本物理性质的测试,并通过直剪试验测得泥岩的瞬时剪切强度。在此基础上,对不同竖向压力的破坏剪力值进行分级加载,获得不同剪力下的应变——时间蠕变曲线。提取相同时间下的应力值与应变值,做出应力应变等时曲线,并求出长期剪切强度参数。研究发现长期内聚力与长期内摩擦角值明显低于瞬时强度参数,有必要将长期强度指标作为岩石强度设计参照。2.由强风化泥岩在不同剪力下应变——时间关系进行分析,发现剪应力较低时泥岩呈衰减蠕变状态;随着剪应力的增大,泥岩发生稳态蠕变变形;当剪应力增大到一定程度后,泥岩在较短时间内发生破坏,即已进入加速蠕变阶段。针对强风化泥岩变形特性,分别用经验性模型——幂律模型、组合元件模型——西原模型建立强风化泥岩的蠕变模型,发现西原模型的拟合效果较好。并用FLAC 3D程序建立剪切蠕变试验的数值模型,代入蠕变参数后将计算获得蠕变曲线与试验数据对比,发现效果较好。3.分别用工程中最普通使用的两种方法:经验法——Peck沉降槽公式法、理论法——随机介质理论法对地铁隧道施工引起的地表沉降变形特性进行分析。对当前学者研究得到的沉降槽宽度、沉降槽宽度系数和地层损失率在不同地层和不同施工条件下的经验值进行总结。将Peck沉降槽公式法和随机介质理论法进行对比分析,认为随机介质理论是Peck沉降槽公式的积分叠加,而Peck公式是将随机介质理论中的开挖断面看成无限小单元的特殊情况。通过几何分析,获得复合地层中综合地层主要影响角的计算公式,进一步完善了随机介质理论在复合地层中的应用。4.基于随机介质理论,对不均匀收敛变形的圆形隧道,编制了MATLAB计算程序。将获得随机介质理论地表沉降曲线、Peck沉降曲线与实际监测值对比,发现随机介质理论和Peck公式法均可以较好地描述地铁隧道引起的地表变形特点。建立了地表最大沉降、沉降槽最大曲率与拱顶变形的关系曲线,并获得了拱顶沉降的最大控制值。5.借助收敛约束法中的纵断面变形曲线、围岩特性曲线和支护特性曲线分析隧道变形与围岩之间关系。通过FLAC 3D程序建立地铁隧道施工的三维数值模型,获得随隧道开挖过程监测断面的变形特点,从而获得隧道的纵断面变形曲线。基于应力释放法理论,在地铁隧道的二维模型中进行洞壁虚拟支护力的等间距释放,由于隧道围岩采用的是泥岩蠕变本构模型,得到具有时间效应的反映围岩应力与隧道变形关系的围岩特性曲线。通过厚壁圆筒的力学分析原理,分别获得浅埋暗挖隧道和盾构隧道的复合支护特性曲线。将围岩特性曲线与支护特性曲线进行对比,分析地铁隧道围岩与支护结构的相互作用关系。在此基础上,确定有效支护范围,分析支护时机对地铁隧道的变形影响。6.对比分析浅埋暗挖隧道与盾构隧道的施工影响,认为盾构隧道的变形小于浅埋暗挖隧道,且盾构区间支护的强度远高于浅埋暗挖区间,即盾构法施工的安全及适用性均较高。