随着我国经济的高速发展,既有基础交通设施已难以满足人们对出行的要求。为了让国民享受更加便捷的交通出行,我国大力发展高速铁路、公路和城市地铁等基础交通设施。铁路或高速铁路穿越的地区广阔,地质气候环境条件截然不同,碳质板岩就是其中一种具有代表性的地质条件。由于炭质板岩抗剪强度低,易失稳,易变形坍塌,使得炭质板岩隧道在理论与施工工法方面的研究面临更多的难题。因此,本文通过运用理论分析和数值模拟的方法,对炭质板岩隧道围岩在不同岩层倾角及不同施工工法下的变形受力规律和不同台阶参数下的围岩的变形受力特性进行了比较系统的研究。主要研究成果如下:(1)对怀邵衡铁路蜡树脚炭质板岩隧道工程地质及水文条件进行分析,总结了多种隧道开挖方法的优缺点,得出了开挖方法对碳质板岩隧道围岩力学特性的影响。分析了板岩隧道变形机理,围岩相互作用力方向与板岩结构面方向之间的位置是影响其稳定性的主要因素;(2)通过设计在相同施工工法情况下,岩层倾角不同,围岩竖向应力状态明显不同,整体表现为沿岩层走向,在滑动面末端产生应力集中。0°倾角岩层竖向应力呈现对称分布,30°与60°岩层竖向应力表现为左高右低,在左下角产生应力集中,表明层状岩体开挖过程中软弱夹层会产生层间滑动。随着倾角的增大,隧道周边围岩竖向应力呈现先升高后降低情况,即30°倾角岩层隧道周边应力最大;(3)对层状岩体与均质岩体进行对比分析,数值模拟计算结果显示均质岩体与层状岩体变形受力等方面差异明显。均质岩体围岩变形受力呈现左右对称模式,层状岩体沿岩层走向倾斜。均值岩体变形量小于层状岩体;(4)在三种施工工法开挖下,全断面法产生的围岩变形最大,不能满足施工对变形的要求。三台阶法和CD法围岩变形均满足规范要求,CD法在控制拱顶沉降和仰拱隆起均稍优于三台阶法,但是CD法施工难度大,施工经费高,且效率低于三台阶法。因此,最终选择三台阶法作为此碳质板岩隧道的施工工法;(5)在三台阶施工工法下,循环进尺为1m、2m和3m围岩塑性区均分布在右侧墙角附近,整体表现为塑性区分布方向与岩层走向一致。在隧道支护过程中,需要注意在围岩相应位置进行重点加固,防止围岩发生塑性变形,影响隧道稳定;(6)在三台阶施工工法下,循环进尺为3m的围岩变形最大,超出隧规规定限值,不能满足施工对变形的要求。循环进尺长度为2m围岩变形量已接近隧规规定的最大限值,在实际工程中围岩变形一般大于数值计算软件模拟结果。因此,选择循环进尺长度为1m作为最终循环进尺长度。