建于层状软岩中的隧道常面临着围岩大变形和支护结构偏压受荷等问题,导致隧道塌方、拱架扭曲变形、衬砌开裂等问题,严重影响隧道施工及运营安全。据统计,在建的郑万高铁湖北境内的层状软岩隧道就有23座。本文以其中的保康隧道为背景,采取资料收集及现场调研、室内岩石力学试验、现场监测、数值模拟等多种手段,对层状软岩隧道的稳定性和受力变形特性进行研究,并取得以下成果:(1)查阅文献资料,广泛收集整理了国内层状软岩隧道的病害资料,并总结围岩类型及地质条件特征,初步分析了产生病害的原因。(2)从现场钻取取芯角度为0°、30°、60°、90°的页岩试样,进行单轴、三轴压缩试验,研究层状页岩的力学特性、强度指标和破坏模式。试验结果表明:试样的弹性模量0°最大,30°和60°次之,90°最小;抗压强度0°最大,60°次之,在30°或者90°时最小;弹性模量、抗压强度与围压均存在正相关关系。破坏模式分为3种:0°时沿层面的张拉劈裂破坏、30°时沿层面剪切滑移破坏和60°与90°时穿过层理面的剪切破坏。(3)在保康隧道中选取两个具有典型层状围岩特征的断面,对其围岩压力,钢拱架内力和衬砌的钢筋应力进行量测。量测结果表明:断面同一侧拱部的围岩受力及变形最大,边墙次之,不同侧中右侧的围岩位移和压力普遍大于左侧,具有明显的偏压现象;支护结构拱部受力大于边墙和拱脚,最大应力已经超过钢拱架的设计强度320MPa。(4)应用ABAQUS有限元软件,对层状软岩隧道进行二维计算,研究岩层倾角β对围岩和衬砌的受力变形的影响,结果表明:拱部围岩位移大于边墙和拱脚,初期支护结构的拱脚和边墙位置容易应力集中;在倾角β为45°~60°时,偏压效应最显著,反倾侧的位移和受力普遍大于顺倾侧;β为75°~90°,即岩层陡倾时,隧道处于最不利状态。