受地形地貌、地质构造以及现场施工等因素的影响,砂质页岩偏压隧道围岩强度及应力分布出现差异并且产生非对称大变形,导致隧道支护结构局部破坏。由于砂质页岩偏压隧道非对称变形破坏严重,支护难度大,常规的支护方法很难满足隧道安全要求。在区域地质条件下,砂质页岩偏压隧道发生异常大变形的区域及其变形特性往往具有一定规律性。在前人研究的基础上,本文结合郑万高铁砂质页岩偏压隧道非对称变形破坏工程案例,综合采用理论分析、现场测试、室内试验、数值模拟和非线性分析等方法,对砂质页岩偏压隧道非对称变形机理、计算理论、影响因素、变形等级评价和施工支护优化等方面展开了研究。本论文的研究成果如下:(1)针对砂质页岩非对称变形机理进行了综合分析。对偏压隧道非对称变形进行定义及分类,并依托郑万高铁砂质页岩偏压隧道工程,开展了隧道围岩岩矿测试和物理力学实验分析。结合砂质页岩偏压隧道围岩非对称变形破坏典型的工程案例,综合分析隧道非对称变形破坏规律。通过主控因素分析,得出郑万高铁砂质页岩偏压隧道非对称变形类型为地质构造偏压型。提出了砂质页岩偏压隧道非对称变形数据获取和量化分级的新方法。(2)系统的分析了影响砂质页岩偏压隧道非对称变形的主观因素和客观因素,重点研究了页岩节理面的产状对砂质页岩隧道非对称变形的影响,得出砂质页岩偏压隧道非对称变形的规模受节理面倾向、倾角和隧道走向组合共同的影响。综合采用灰色关联度和模糊德尔菲法计算了砂质页岩偏压隧道非对称变形客观影响因素和主观影响因素指标权重,并采用组合赋权法计算了影响因素综合权重。(3)根据砂质页岩偏压隧道非对称变形影响因素综合权重对输入因素指标简约,以简约后的因素作为输入参数,以砂质页岩偏压隧道基础变形等级和变形异常等级作为输出参数建立砂质页岩偏压隧道非对称变形BP神经网络预测模型,并通过郑万高铁砂质页岩偏压隧道实际工程验证,得出本砂质页岩偏压隧道非对称变形BP神经网络模型预测精度高,可应用于砂质页岩偏压隧道非对称变形预测。(4)采用数值模拟方法,研究了不同开挖和区域支护下的砂质页岩偏压隧道非对称变形规律,从而探索针对砂质页岩偏压非对称变形隧道合理的开挖和支护方法。通过数值模拟分析得出:在研究的五种开挖方法中,三台阶七步开挖预留核心土法(超前台阶在偏压一侧)更有利于砂质页岩偏压隧道的整体稳定。相比较长锚杆支护,采用整体注浆,局部加大注浆支护深度的支护优化方法可以有效的控制砂质页岩偏压隧道的整体变形和其变形异常程度。(5)利用综合地质预报方法,超前获取砂质页岩偏压隧道开挖掌子面前方工程地质信息;建立砂质页岩隧道围岩质量等级预测模型,并结合获取的隧道工程地质信息来预测围岩质量等级并完成初始开挖和支护方法优化;利用砂质页岩偏压隧道非对称变形预测模型,获得基础变形等级和变形异常等级,采取相应的二次支护优化措施,并通过数值模拟和现场工程进行验证。通过综合分析得出,本研究提出的大变形多级防治方法对砂质页岩偏压隧道非对称大变形具有很好的控制效果。