大型水电工程的导流隧洞大多为浅埋、大断面洞室,在施工过程中,隧洞与进口边坡的施工及安全性相互影响、相互制约,一旦工程发生围岩稳定事故,不仅造成施工人员生命财产的损失,而且严重影响施工进度,因此大型水电站导流隧洞施工期的隧洞围岩及洞口边坡的稳定性一直是岩土工程界关注的重点问题。对于大型水电站导流隧洞,考虑进口洞段边坡与隧洞相互影响的结构设计与施工是一个受众多因素影响的复杂过程,无规范可循,工程类比少,且不良地质洞段的施工技术及其安全性在隧洞施工过程中直接影响工程的整体进度,因此有必要针对不良地质大断面隧洞的施工技术及围岩力学行为特征进行深入研究,以指导工程实际施工。本文结合我国西南某大型水电站为工程实例,采用岩石力学和数值分析方法等技术手段,通过分析不良地质大断面隧洞围岩及边坡的力学行为特征,研究隧洞围岩与边坡作用机制及隧洞施工技术,探讨安全、合理的施工方法。具体研究内容和成果如下:(1)在依托工程地质条件和背景下,分析了大断面地下洞室中的超前支护措施、喷锚支护机理与效果、拱架及钢筋网支护机理。超前支护主要改良地层特性和预支护作用。喷混对隧洞围岩进行加固主要有支承围岩、卸载作用、填平补强围岩、覆盖围岩表面、防止松动和分配外力等作用,采用混凝土喷层加固隧洞可有效地控制围岩变形,能有效遏制岩体塑性区的发展,防止围岩松动失稳。提高喷层厚度可有效减小隧洞顶拱塑性区范围,但厚度过大有可能造成拱脚处塑性区范围因应力集中而增大,采用标号较高的混凝土作为喷层材料对于限制围岩顶拱变形具有一定的作用,但效果不明显。(2)总结了隧洞进口围岩—边坡作用体系类型与力学模型,考虑隧洞—边坡的耦联作用机制,深入研究了隧洞施工对边坡的影响及边坡施工对隧洞围岩稳定性的影响,探讨了隧洞围岩与边坡体系稳定性演化特征,并提出了合理的进洞顺序。具体内容涉及四方面:(1)探讨了隧洞进口围岩与边坡相互作用的平行、正交和斜交三种体系类型,建立了相应的地质力学模型,并讨论了边坡与隧洞变形相互作用的顺滑型、剪切型、扰动型和顺滑剪切复合型等几种力学模型;(2)考虑隧洞进口围岩—边坡正交作用体系,深入研究了隧洞施工对边坡的影响及边坡施工对隧洞围岩稳定性的影响;(3)考虑隧洞进口围岩与边坡的三维效应及相应的动态施工过程,研究了隧洞围岩与边坡体系稳定性的时空演化特征;(4)通过拟定多个隧洞进洞方案,研究了隧洞围岩与边坡相互作用体系下的进洞顺序。(3)在总结不良地质大断面隧洞施工组织过程与施工技术的基础上,研究了大断面隧洞围岩的力学行为,提出了隧洞合理的施工方法和断层穿越顺序。在隧洞I层开挖中,研究了左右两幅开挖法和核心土开挖法下的围岩力学行为,综合考虑左右两幅开挖法具有施工速率更快,工序更简单,塑性区分布范围更小等特点,建议选择左右两幅开挖法。在隧洞II、III层开挖中,对比研究了半幅薄层和半幅厚层开挖法下的围岩力学行为,从结果来看,选择薄层开挖方案更利于围岩稳定。结合数值模拟方法研究了不良地质大断面隧洞在顺层开挖和逆层开挖方式对围岩稳定性的影响,通过探讨不同穿越方式下的围岩力学行为特征,提出了合理的不良地质断层穿越方式。在逆层开挖方式下,顶拱、底板和边墙的变形程度更大,塑性破坏区范围更广,因此选择顺层开挖方式更有利于围岩稳定。(4)考虑隧洞施工过程信息的时变特性,探索了不良地质段大断面隧洞耦合施工进度的实时安全分析方法。根据隧洞工程的二维设计信息和工程地质信息,建立常规三维几何模型(3D模型),以此为基础,考虑施工过程的进度信息,利用4D信息建模技术,建立隧洞施工期4D信息模型。基于SQL数据库搜索引擎的强大搜索功能,快速找到隧洞工程信息改变区域在计算模型中对应的单元,对ABAQUS数值计算软件进行二次开发,自动读取单元的搜索结果,并对其力学参数进行相应修改,实现隧洞数值计算模型信息的实时动态更新。利用参数反演技术将当前的监测信息与相应部位的计算值进行对应,从而实现4D监测信息模型与4D仿真模型的耦合。通过数值的实时计算判定隧洞各部位的安全稳定特征,从而及时判定施工方案的安全有效性和合理性,并对下一步的安全稳定状态进行预测。