21世纪是隧道工程建设的黄金季,并且埋深大、隧道长、修建难度大是目前及今后较长时期隧道工程建设的普遍现象。分析我国铁路隧道建设现状,认为困扰广大隧道建设人员的主要问题是软弱围岩隧道的设计与施工技术难题。这些隧道往往表现为围岩变形大、设计变更多、施工进度慢等特点。就目前而言,虽然我国隧道修建技术已达世界先进水准,但在地质条件极其复杂的中西部地区,由于隧道施工中的地质灾害具有突发性、多变性、复杂性、危害程度大、危险系数高等特点,隧道施工技术、方法、设备以及管理和各类规范等仍需长足的进步及发展。在建的成兰铁路某隧道为深埋特大断面特长隧道,为一典型高地应力软弱围岩隧道,其在施工过程中出现了严重的大变形现象,软岩大变形问题已经成为了该工程的主要工程地质问题之一。查明该软岩隧道大变形的形成机制、有针对性制定开挖支护等控制措施,对保证该隧道工程的顺利施工具有重要实际意义。本文以软岩大变形里程段D5K222+360~D5K222+560为研究对象,首先详细阐述了隧址区工程地质条件,采取数值模拟、工程类比、量化评价等手段对研究段隧道地应力特征、岩体力学参数特征及围岩级别等进行了研究。接着以现场调查为基础,分析了软岩隧道大变形特征及破坏模式,并从监控量测资料入手详细研究了研究段围岩变形的时空效应特征。在以上基础上,采用地质分析手段对软岩大变形机制进行了深入分析研究。之后借助数值模拟技术,对研究段围岩开挖及支护方案进行优化模拟计算。最后总结上述研究成果,详细阐述了针对该软岩隧道大变形的具体控制措施。经研究,主要获得以下研究成果:(1)隧址区地应力场研究表明,隧址区构造应力整体水平,最大主应力量级处于8~12Mpa之间,方向为近EW向。研究段软岩隧道天然应力场量值约15Mpa,与隧道走向呈大角度相交,对软岩隧道的稳定性极其不利。(2)采用GSI系统及反分析的技术手段得到了围岩物理力学参数及其强度特征。接着对研究段隧道围岩级别进行分级,并以地下水及地应力特征进行修正,结果表明研究段大变形围岩主要受Ⅴ级围岩控制。(3)根据研究段软弱围岩的变形破坏现象的研究结果,围岩变形破坏模式主要表现为:坍塌、边墙內鼓、挤出、拱顶下沉、边墙收敛、底鼓。之后对软岩大变形时空效应特征的研究发现,采用台阶法及三台阶法开挖时围岩变形具有明显的阶段性特征,并得到了不同围岩类型径向变形释放率与时间及距离掌子面的关系特征。在以上基础上,对研究段软岩隧道大变形机制的分析结果表明:软岩大变形的产生是在地层岩性及其结构、原始地应力、地下水环境、施工工艺等多个因素耦合作用下形成的,其大变形机制可分为应力扩容型、结构变形型及地下水软化型三个大类,失稳模式主要有软岩的塑性流动、塑性楔体剪切滑移及结构面的剪切滑移。最后建立了围岩大变形三级划分方案,得出研究段软岩隧道Ⅲ级大变形长度46m,Ⅱ级大变形长度44m,Ⅰ级大变形长度60m。(4)根据本工程软岩大变形的特点,结合其赋存地质环境条件,利用数值模拟手段得到了软岩隧道不同大变形等级的开挖支护优化方案。并从数值模拟结果建议:Ⅰ级大变形围岩预留变形量为20cm~25cm,Ⅱ级大变形围岩预留变形量为30cm~35cm,Ⅲ级大变形围岩预留变形量为40cm~45cm。(5)二次衬砌的施作时机宜在围岩变形保持相对稳定后施作,应据不同软岩大变形级别而不同:Ⅰ级大变形宜在开挖后约50~70天、距掌子面约2.3倍洞径施作,Ⅱ级大变形宜在开挖后约80~100天、距掌子面约2.6倍洞径施作,Ⅲ级大变形宜在开挖后约100~130天、距掌子面约3倍洞径施作。(6)软岩隧道大变形的控制应采取全方位、多层次、多手段的综合性控制措施,其控制体系应包括掌子面稳定控制、施工方法控制、拱脚稳定控制、合理的支护结构控制、空间变形监测控制、支护补强控制、地下水控制七个方面。并选取试验段D5K222+010~D5K222+120进行工程验证,实践证明,本文的研究成果是有效且实用的。