鄂西北地区为国内典型的变质岩发育区,以武当群片岩为主,约有60%是由各类片岩构成,区域地质构造较为复杂,片理面极其发育,片岩的基本特性和矿物成分决定了其在遇水后容易软化、泥化。随着湖北省规划的“752”骨架公路网建设不断推进,在鄂西北地区不可避免的出现大量绢云母软质片岩隧道,随之而来的工程问题也愈发突出。本文以在建的湖北省谷竹高速公路控制性工程——土公岭隧道为工程研究对象,开展绢云母软质片岩隧道施工期围岩变形特征及稳定性控制技术研究。谷城至竹溪高速公路土公岭隧道位于湖北省十堰市(鄂西北),隧道地层主要为强、弱风化绢云母片岩,区域断层、褶皱构造发育,受多期构造作用影响剥蚀现象严重,区域性竹山断裂(F1)距隧道起点段很近,岩层节理裂隙极发育,岩体极破碎,围岩自稳性极差,在施工过程中多次出现围岩变形过大、初支及二衬裂缝、围岩体沿片理面滑落、坍塌等问题,其中以围岩大变形问题最为突出,不仅严重延缓了隧道的正常施工进度,同时也为施工人员的安全带来严峻挑战。因此,怎样科学揭示绢云母软质片岩隧道施工期围岩力学特性及变形规律,并提出合理有效控制措施,具有重要的理论价值和实际指导意义。本文以“绢云母软质片岩隧道施工期围岩变形特征及支护技术”为研究主题,以“湖北省谷竹高速公路控制性工程——土公岭隧道”为工程研究对象,通过“现场精细调查、室内微宏观物理力学性质试验、蠕变本构理论、数值仿真计算、现场监控量测”相结合的方法,对“绢云母软质片岩隧道施工期的变形机理、变形特征、力学特性、围岩支护技术”等内容展开研究,论文完成的主要工作包括以下几个方面：(1)详细调查了研究区的工程地质环境,对与隧道工程密切相关的地质条件展开了分析。隧道围岩大变形的发生,与隧道所赋存的地质环境、隧道几何形式、隧道开挖工法等因素密切相关,其中,地质环境具体来说,包括地形地貌、地层岩性、地质构造、围岩体结构、地应力大小、水文条件等,因此,要对隧道围岩变形问题进行研究,首先需对其赋存的地质环境进行调查分析。依托谷城至竹溪高速公路土公岭隧道工程实际,对隧道赋存的气象、地形地貌、地层岩性、地质构造、水文条件开展了现场调查,就上述地质水文条件与隧道围岩稳定性的相关性进行了工程地质评价。实施了水压致裂法现场地应力测试,从应力量值、侧压系数、应力方位、地应力量值与深度的关系四个方面对土公岭隧道地应力场的特征进行分析,基于地应力角度对隧道围岩稳定性进行了评价。采用交互式分析地质定位数据DIPS软件,对隧址区87组节理裂隙走向和倾向数据进行分析,得到了优势结构面、片理面的岩体结构特征。(2)土公岭隧道区围岩为典型的绢云母软质片岩,具有片理面多角度发育、岩体强度低、胶结程度差、变质程度不均等特点,加上隧道区地下水局部较为发育,岩体遇水易软化、膨胀、崩解,因此,隧道区绢云母片岩的物理力学性质和片理面多角度特征与隧道围岩发生大变形破坏有着密不可分的关系。通过微观结构试验(岩石切片显微镜试验、环境扫描电子显微镜试验)、物理性质试验(密度、空隙性、X衍射矿物分析、波速试验)、水理试验(吸水率试验)、力学试验(干燥单轴、三轴；不同含水率单轴、三轴；蠕变力学试验)、岩体破裂过程声发射试验,获取隧道区绢云母软质片岩的微观结构特征、基本物理力学指标及其不同片理角度条件下的力学行为、加载过程中的动态破裂过程特征及规律,为分析隧道围岩变形规律提供了依据,为绢云母软质片岩粘弹塑性蠕变本构关系的研究及数值模拟计算提供了基本参数。(3)土公岭隧道的绢云母片岩在所赋存的地下水和地应力耦合作用下具有显著流变性,主要体现在隧道开挖后围岩变形持续时间长、变形量值大。在三轴蠕变力学试验的基础上,开展了绢云母软质片岩粘弹塑性的线性、非线性蠕变本构模型及模型参数的研究,建立了基于改进Burgers蠕变模型的绢云母软质片岩线性粘弹塑性本构模型、基于“半理论半经验法”能够描述包括初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段全过程的绢云母软质片岩非线性粘弹塑性蠕变本构模型。采用Origin函数拟合软件并基于最小二乘法,对绢云母片岩的应变-时间蠕变试验曲线进行线性、非线性拟合,获得了绢云母软质片岩的粘弹塑性蠕变本构模型参数,对本构模型参数的变化规律进行了初探,就含水率对本构模型参数的影响规律进行了分析,为土公岭隧道围岩的长期稳定性分析提供了现实及理论依据。(4)采用ANSYS 10.0大型通用有限元程序建立土公岭隧道仿真计算模型,计算参数采用试验所得的隧道围岩物理力学参数,将蠕变试验及蠕变理论计算得到的绢云母软质片岩粘弹塑性蠕变本构模型参数,转化为剪切模量的Prony级数形式后引入ANSYS计算程序中,实现土公岭隧道绢云母软质片岩粘弹塑性蠕变数值计算。通过数值计算,研究了土公岭隧道施工期围岩的力学效应、变形特征和围岩变形随时间变化规律,为绢云母软质片岩隧道围岩变形规律理论分析及隧道施工方案、支护设计优化提供了依据。(5)从土公岭隧道围岩变形影响因素、变形宏观特征、变形发生机理、现场监控量测四个方面,研究了绢云母软质片岩隧道围岩变形的发生规律和内外机理。通过对土公岭隧道围岩大变形的工程实况进行调查分析,获取了隧道围岩大变形宏观表现特征。从已掌握的隧道赋存地质条件、隧道围岩大变形宏观表现特征,并结合各类试验、理论计算、数值分析所得结果,将土公岭隧道围岩变形的影响因素总结为岩性因素、围岩结构特征因素、地质构造因素、地应力因素、地下水因素五个方面。对土公岭隧道裂缝的位置、数量、长度、倾角、宽度、深度进行了调查,在调查的基础上,采用能直观模拟片理面的岩土工程有限元程序PLAXIS,从片理面强度指标、片理面密集程度两个方面研究其对围岩应力、衬砌内力的影响规律,进而揭示土公岭隧道绢云母软质片岩的变形机理。最后,选取两个具有典型代表意义的断面开展监控量测研究,监测项目包括拱顶沉降、周边收敛、围岩与初期支护压力、锚杆轴力、初期支护钢架应变、二衬混凝土应变,基于现场监控量测的角度,分析揭示隧道围岩变形的宏观特征和变形机理。(6)提出了绢云母软质片岩隧道施工期围岩大变形及初支侵限支护技术。介绍了绢云母软质片岩隧道围岩变形控制的基本理念和基本原则,在充分研究土公岭隧道围岩变形规律的基础上,提出针对性的隧道施工期围岩变形支护分析流程。从施工工法和支护参数两方面对绢云母软质片岩隧道施工期围岩变形支护技术进行了分析,选取土公岭隧道施工期典型围岩大变形及初期支护侵限事件,提出了详细处治措施及参数,处治技术包括“封闭掌子面及临时支撑加固、小导管注浆加固、凿除初支喷射混凝土、换拱施工、监控量测”五个环节,处治结果显示,在揭示了土公岭隧道围岩变形特征后所提出针对性的处治措施,有效控制了围岩变形,确保了隧道顺利掘进。本文的创新成果主要有：(1)通过微观结构试验(岩石切片显微镜试验、环境扫描电子显微镜试验)、物理性质试验(密度、空隙性、X衍射矿物分析、波速试验)、水理试验(吸水率试验)、力学试验(干燥单轴、三轴；不同含水率单轴、三轴；蠕变力学试验)、岩体破裂过程声发射试验,获取了隧道区绢云母软质片岩的微观结构特征、基本物理力学指标及其不同片理角度条件下的力学行为、加载过程中的动态破裂过程特征及规律,建立了绢云母软质片岩单、三轴力学参数与加载夹角和含水率之间的关系式。(2)在三轴蠕变力学试验的基础上,开展了绢云母软质片岩粘弹塑性的线性、非线性蠕变本构模型及模型参数的研究,建立了基于改进Burgers蠕变模型的绢云母软质片岩线性粘弹塑性本构模型、基于“半理论半经验法”能够描述包括初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段全过程的绢云母软质片岩非线性粘弹塑性蠕变本构模型。对绢云母软质片岩的应变-时间蠕变试验曲线进行线性、非线性拟合,获得了绢云母软质片岩的粘弹塑性蠕变本构模型参数,对本构模型参数的变化规律进行了初探,就含水率对本构模型参数的影响规律进行了分析,为土公岭隧道围岩的长期稳定性分析提供了现实及理论依据。(3)基于数值程序建立了土公岭隧道仿真计算模型,将蠕变试验及蠕变理论计算得到的绢云母片岩粘弹塑性蠕变本构模型参数,转化为剪切模量的Prony级数形式后引入计算程序中,实现了土公岭隧道绢云母软质片岩粘弹塑性蠕变数值计算。揭示了土公岭隧道施工期围岩的力学效应、变形特征和围岩变形随时间变化规律,为绢云母软质片岩隧道围岩变形规律理论分析及隧道施工方案、支护设计优化提供了依据。(4)对土公岭隧道裂缝的位置、数量、长度、倾角、宽度、深度进行了调查,采用能直观模拟片理面的岩土工程有限元程序PLAXIS,从片理面强度指标、片理面密集程度两个方面研究其对围岩应力、衬砌内力的影响规律,揭示了土公岭隧道绢云母软质片岩变形发生规律及破坏机理。基于现场监控量测,对隧道围岩拱顶沉降、周边收敛、围岩与初期支护压力、锚杆轴力、初期支护钢架应变、二衬混凝土应变等数据进行了分析,揭示了隧道围岩变形的宏观特征和变形机理。(5)在充分研究土公岭隧道围岩变形规律的基础上,针对性提出了绢云母软质片岩隧道施工期围岩变形支护分析流程。从施工工法和支护参数两方面对隧道施工期围岩变形支护技术进行了分析,选取土公岭隧道施工期典型围岩大变形及初期支护侵限事件,提出了“封闭掌子面及临时支撑加固、小导管注浆加固、凿除初支喷射混凝土、换拱施工、监控量测”五项处治措施及参数。