随着我国交通运输事业的不断发展，工程建设规模和地域的不断扩大与开挖深度的不断增加，在我国中西部地区的各类隧道建设过程中，越来越多介于土和岩石之间的第三系岩土体成为了隧道工程设计与施工中无法避免的重点和难点。第三系半成岩结构特殊，岩体强度低，胶结性较差，导致其自承载能力低，对开挖扰动较为敏感，洞室开挖后自稳能力差、自稳时间短；并且大多埋深较大，常处于地下水位线以下，地下水对岩体的影响不容忽视，开挖过程中易发生塌方、大变形等灾害，且围岩受力复杂，导致工程安全性差、进度缓慢、投资剧增，对设计施工造成诸多困难。现今关于第三系半成岩的研究主要集中在第三系砂岩和泥岩，对第三系砾岩的认识较少，相关研究成果并不多见。因此，围绕第三系弱胶结砾岩的工程性质和开挖面稳定性展开研究可以填补相关方面的空白，对工程和理论的发展具有双重价值。
　　本文依托蒙华铁路中条山隧道工程，对第三系弱胶结砾岩的工程性质及隧道开挖面稳定性进行研究。通过现场勘察、室内试验、微观观察、理论分析、数值计算等手段，揭示第三系弱胶结砾岩变形与破坏的内在机制与根本原因，提高对此类地层的认识，掌握对其工程性质和隧道开挖面稳定性有效的评价与分析方法。论文主要取得以下研究成果。
　　(1)将经典岩土力学中颗粒级配分析与分形理论相结合，通过筛分试验分析弱胶结砾岩原状试样与重塑试样的颗粒组成，随后采用分形理论进一步研究原状和重塑弱胶结砾岩颗粒组成的分形特征。从颗粒级配上看，弱胶结砾岩原状试样均属于级配良好土，工程性质优良；细粒含量较少的重塑试样级配良好，随着细粒含量的升高，重塑试样的颗粒级配由良好变为较差。采用分形几何的方法进一步分析，弱胶结砾岩的颗粒分布大都呈现出二重分维特性，组成颗粒中细粒的分维值显著小于粗粒的分维值，揭示了自然分选条件下砾岩粗颗粒含量相对较少的特点；颗粒分布表现为一重分维的弱胶结砾岩具有最优级配，由剪切试验可知其具有最高的抗剪强度，工程性质最优。
　　(2)采用室内大型剪切试验方法，对弱胶结砾岩的强度特征展开系统研究。根据剪切试验结果，胶结程度相同情况下，弱胶结砾岩的强度随细粒含量的增多而减小，内摩擦角也随之减小。对于无胶结砾岩，其粒度分维值与内摩擦角正切值之间表现为负指数关系；胶结程度的强弱是决定第三系弱胶结砾岩强度的根本原因，颗粒组成相同情况下，胶结程度不同导致中条山隧道内无胶结砾岩的内摩擦角相比弱胶结砾岩下降了41.36%。
　　(3)由弱胶结砾岩的X射线衍射试验和薄片鉴定试验可知，方解石与石英为弱胶结砾岩颗粒骨架的主要组成部分，黏土矿物作为胶结物在砾岩颗粒间起胶结作用，各类矿物间共同作用从宏观上决定了弱胶结砾岩的强度特征。分析剪切破坏后的弱胶结砾岩细观结构特征，低法向应力下的砾岩颗粒及结构未发生明显破坏，砾岩主要沿颗粒间的宏观裂隙发生滑动；高法向应力下砾岩更为密实，破坏时剪切面周围颗粒大多会产生裂纹甚至断裂分解。由于第三系岩土体往往埋深较大，地应力较高，隧道开挖受扰动的弱胶结砾岩颗粒结构更接近高法向应力下剪切破坏后的砾岩颗粒状态。
　　(4)基于极限分析上限法，建立了弱胶结砾岩隧道开挖面失稳破坏模型，并在模型中考虑了孔隙水压力对隧道开挖面破坏时的影响。对于完整性相对较好的弱胶结砾岩，三台阶预留核心土法开挖时的开挖面具有足够的自稳能力，无胶结砾岩由于粘聚力为零，无超前加固措施下其开挖面无法稳定。水头高度对于弱胶结砾岩隧道开挖面稳定性具有重要影响，工程中需要设计合理的排水泄压措施，降低开挖面水头高度，提高开挖面的自稳能力。
　　(5)采用FLAC3D对中条山隧道弱胶结砾岩段进行了流固耦合下的三维开挖模拟，基于突变理论与强度折减法，对弱胶结砾岩与无胶结砾岩开挖面稳定性进行了讨论。原状弱胶结砾岩隧道开挖面稳定安全系数为3.79，具有充足的安全储备，其拱底位置为失稳控制点；无胶结砾岩隧道开挖面各特征点的安全系数均小于1，不具备自稳能力，表明胶结程度从根本上决定了砾岩开挖面稳定性。胶结程度相同情况下，无胶结砾岩开挖面的安全系数随着粒度分维值升高而降低，表明胶结程度相同情况下，颗粒分形特征也对砾岩开挖面的稳定性有显著影响。最后将数值计算与极限分析方法的结果进行了对比，验证了极限分析方法的准确性。