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复杂地质环境下软弱隧道围岩稳定性及支护问题一直是科研工作者攻关的难题之一。由于软岩具有岩体破碎、岩体质量较差、变形量大且变形时间长等特性，在隧道开挖过程中容易发生大变形甚至坍塌，对隧道的正常施工和支护带来很大的困难。虽然有科研工作者进行了隧道围岩稳定性和隧道安全性方面的研究，提出了对于隧道采取主动式的支护措施等建议，但是针对隧道围岩支护效果的研究除了常规的监控量测外，还没有明确的理论分析方法对隧道围岩支护效果进行系统的评价。
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，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。十房高速公路通省隧道以深埋长大成为该地区片岩公路隧道的控制性工程，隧道在施工过程中表现出大变形、隧道拱顶坍塌等灾害，在支护过程中发生支护结构被剪断、挤压扭曲等现象，因此有必要对不同支护措施产生的支护效果进行深入研究。
为了选取适宜片岩隧道的支护措施以及支护后能系统性评价片岩隧道支护效果，本文在野外调查和收集工程地质资料、结合室内试验研究，综合分析片岩工程地质背景基础上建立了片岩隧道工程地质模型，通过对隧道围岩与支护结构特性、相互作用规律和稳定性数值模拟综合分析，探讨影响片岩隧道支护效果的指标因子，建立了变质岩区公路片岩隧道支护效果评价体系。论文主要从以下三个方面展开研究:
一、片岩隧道工程地质模型研究
(1)片岩赋存地质背景研究。通过所收集的鄂西北变质岩地质背景资料和通省隧道实际勘察与野外调查资料，查明了隧道区变质岩（片岩）的岩体结构特征和岩性特征，详细分析了隧道区片岩的工程地质环境条件。对隧道结构面和片理面统计发现，隧道主要发育3组优势结构面，这三组结构面与隧道轴向夹角分别成大角度67°相交、小角度12°和28°相交。针对片岩特殊的岩性特征，本文在试验段隧道断面上采集岩样进行X衍射矿物分析和能谱分析实验，发现岩样矿物含量如下:石英36％、蒙脱石30％、云母15％、绿泥石10％，还有少量的长石、绿泥石等。根据矿物成分和含量可知，通省隧道的片岩变质程度较高、风化程度也较严重，其中含有与云母有关的伊利石和蒙脱石等矿物，遇水极易吸水膨胀，容易造成岩体强度降低，引起围岩变形破坏。通过X衍射矿物分析试验基本掌握了片岩隧道围岩在遇有地下水情况下隧道围岩软化变形的岩石矿物组构特征，为进一步进行片岩隧道围岩稳定性分析和隧道变形破坏机理分析提供岩性特征数据。
(2)隧道区地应力场研究。隧道区的岩体地应力状态是确定地下工程围岩岩体力学属性、进行地下围岩稳定性分析、隧道的开挖设计和决策科学化以及隧道工程地质模型建立的前提。通过对通省隧道主要两个ZK1、ZK2钻孔采用水压致裂法进行现场地应力试验，确定了隧道区地应力场的大小和方向。结果表明，通省隧道最大水平主应力在14.37MPa～16.82MPa之间、最小水平主应力值在9.27MPa～10.77MPa之间，隧道区最大水平主应力方向基本为NE230°～NE250°;在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，地应力场以水平应力为主导;最大、最小水平主应力随岩层深度均有增大趋势，岩体完整性好及岩体强度高的地段，其应力量值较大，反之则较小。
(3)片岩岩石特性研究
1)变形破坏模式研究。根据现场调查发现，隧道围岩在掌子面的片理层厚分布不均，且风化程度也存在着分布不均的现象。为了查明隧道围岩的变形破坏规律和变形特征，通过已掌握的片岩隧道不同产状片理面与隧道轴向的组合特征以及构造发育情况，在隧道掌子面附近采集岩块加工成不同片理面倾角的试样，在室内进行单轴压缩和三轴压缩试验。根据岩样在天然状态和饱和状态下的破坏面进行破坏痕迹的曲线识别，总结出单轴压缩和三轴压缩下的典型破坏形态，最终确定片岩试样在天然和饱和状态下主要表现为剪切破坏、轴向劈裂破坏和剪切与劈裂复合破坏等三种形式。通过扫描电镜实验，观察分析片岩试样在受力前、后微观结构的破坏形态和特征，总结出通省隧道区片岩微观结构破坏形态主要表现为片理面的弯曲折断和剪切错动而形成连续的微破裂面两种类型。
2)物理力学性质研究。根据单轴压缩和三轴压缩试验得到天然状态和饱和状态下的岩样应力-应变曲线，对比分析发现所有试样在饱和状态下的峰值强度明显比天然状态下的峰值强度更低、试样轴向应变则要比天然状态下的更大，说明地下水对片岩的力学特性影响很明显。同时，试验发现片岩强度在片理面倾角90°时为最大值、0°时为中间值、45°时为最小值的规律。由于地下水对片岩的力学性质影响明显，建议在隧道施工中注意根据地下水的发育程度和隧道实际的围岩完整性来判断围岩整体稳定性，进而及时调整隧道支护组合。
根据已测得片岩岩石的力学参数，通过广义Hoek-Brown经验强度准则计算，得到了Ⅳ级片岩的岩体力学参数，岩体参数的确定为研究该级别围岩支护曲线特性和围岩稳定性分析提供力学参数。
(4)片岩隧道工程地质模型研究。根据研究区隧道工程地质条件的理论综合分析和片岩试样的室内试验测试分析，从宏观和微观角度对片岩结构特征、矿物特征、力学特征进行分析，查明了片岩地质环境条件和力学性质。在隧道区片岩岩性、岩体结构特征、隧道轴向与结构面组合状况、地下水、地应力等影响因素综合分析基础上，以“修饰名称+主体名称”构成的综合定名法，将变质岩区公路片岩隧道划分为三类工程地质模型，即:深埋干燥中厚层缓倾破碎型片岩隧道岩土工程模型、深埋干燥薄层陡倾完整型片岩隧道工程地质模型、深埋透水薄层陡倾完整型片岩隧道工程地质模型。
二、片岩隧道围岩—支护结构相互作用研究
(1)隧道围岩变形特性研究。结合隧道围岩变形理论分析，分别取5MPa、10MPa、15MPa、20MPa围压等级，对不同隧道埋深影响下的围岩变形特征曲线进行计算分析。结果显示随着围岩支护力的逐渐增大，围岩变形减小、曲线逐渐变陡，随着支护力逐渐缩小，则围岩位移逐渐增大，表明围岩曲线与支护力成反比相关。同时，根据监测数据对通省隧道的围岩变形特征进行了详细分析，结果表明通省隧道围岩变形破坏特征具有初期变形明显、围岩破坏范围大、变形时间长、变形量大和轴线不同位置变形破坏具有差异性等特点。
(2)初衬支护结构及其作用研究。针对通省隧道初期支护形式，选取支护结构中不同型号不同厚度的喷射混凝土、不同直径不同长度的锚杆、不同型号型钢钢架和不同钢筋类型的格栅钢架进行支护特性理论分析和支护曲线特性分析，结果发现不同参数的支护结构受隧道埋深影响，其支护曲线表现出明显的差异性。
(3)片岩隧道围岩—支护结构作用规律研究。通过Phase2有限元软件对片岩隧道的围岩特征、不同锚杆参数、不同刚度的钢拱架结构、不同标号不同厚度的喷射混凝土随着隧道埋深变化对隧道围岩位移的影响进行数值模拟分析。同时，在时间效应作用下选取典型工程地质模型，对浅埋隧道（只考虑重力场）和深埋隧道（考虑构造应力场）两种工况下，进行ANSYS有限元模拟开挖支护与不支护的围岩稳定性、支护结构受力特征及作用规律，全面分析了隧道围岩与初衬支护结构的应力应变特性和对围岩塑性区及安全系数的影响。在获得隧道不同应力场、稳定性结果的同时根据正交试验原理，对不同支护组合进行正交优化分析，最终得到最优支护组合建议。
三、片岩隧道支护效果评价体系研究
(1)评价指标研究。在相关规范和隧道围岩状况及现有施工、支护结构的形态特征等资料基础上，预选影响隧道围岩支护效果的围岩与支护结构和其他定量、定性指标。从系统的角度出发，结合软岩隧道支护的特殊性，考虑隧道围岩—支护结构相互作用研究和评价指标选取的原则，利用专家评分法选取适合于片岩隧道支护效果评价的围岩强度应力比等十项评价指标因子。
(2)支护效果评价体系。根据建立隧道支护效果评价体系的目的和原则，构建了以“双对象+双层次”模型为基础的支护效果评价体系，并对各指标进行了定义和计算方法说明。“双对象”即围岩和支护结构两个对象，评价指标体系涵盖了围岩和支护结构两个主体对象，能够同时反映围岩和支护结构的特征，从而全面地反映支护效果。“双层次”指判定和优化两个层次，在判定层次上能够回答支护结构是否安全，在优化层次上能够回答支护结构是否合理，通过两层次的“判定”和“优化”帮助隧道工程建设者进行科学地决策。
(3)支护效果评价方法。为了能够较好地对一些模糊性评价指标进行科学的计算，选取模糊数学方法进行片岩隧道的支护效果评价。根据已建立的片岩隧道支护效果评价体系和模糊数学理论，建立了评价指标集和评价集，确定评价集为Ⅰ很好、Ⅱ好、Ⅲ一般、Ⅳ差等4个评价等级，确定了模糊综合评价的原则和评价方法，明确了评价指标阈值的计算方法和评价指标隶属度函数的构造，运用层次分析法计算了评价指标权重值。
(4)支护效果评价工程应用研究。根据建立的片岩隧道支护效果评价体系，对通省隧道进行了支护效果模糊综合评价，通过计算确定了不同支护组合在评判指标和优化指标两个层次下的评价结果，用加权平均法对模糊评判结果进行计算得出通省隧道支护效果综合评价结果。通过对模糊综合评价结果对支护组合优选，结果显示所有支护组合表现为两大组团，50％的支护组合强度储备明显高于另外一半组合形式。因此，实际工程中在控制隧道安全的前提下可选取强度储备较高且相对经济的支护组合进行支护。
总之，本文通过系统的分析研究，建立了片岩隧道工程地质模型和片岩隧道支护效果评价体系，解决了片岩隧道围岩支护效果评价的实际问题，为同类围岩公路隧道的支护设计及效果评价提供理论依据，还可为复杂地质条件下地下工程支护效果研究提供参考。