在我国四川西部地区修建山岭隧道时,常遇到千枚岩组成的软岩隧道。由于川西历史地震作用,特别是汶川地震的影响下,岩体内部普遍存在隐性损伤,软岩岩体完整性进一步降低、透水性进一步增强。在隧道开挖过程中,软岩岩体常具有明显的破碎松散特征,使得软岩隧道施工难度较大,施工问题频发。目前上述软岩隧道遇到的主要矛盾之一,便是现有公路隧道围岩分级标准所对应的支护结构设计参数,难以对施工中围岩变形进行有效的控制。软岩隧道大变形、局部塌方等问题不仅严重影响了施工进度和施工安全,还增加了建设投入。因此,深入研究隧道软岩岩体物理力学性质、施工中围岩变形特征及规律,是得到围岩大变形控制技术的基础,在此基础上再进行支护结构优化的研究,为软岩隧道支护结构优化提供理论依据。以汶马高速公路米亚罗3#隧道建设工程为背景,采用现场调查、监控量测分析、理论分析、室内物理力学试验、数值模拟分析和相似模型试验等研究方法,对炭质千枚岩岩体的典型性状、隧道变形特征和隧道大变形成因机制进行深入剖析,并对软岩洞段施工支护结构体系进行优化研究,主要取得了以下成果:首先,在充分调查米亚罗3#隧道工程地质条件基础上,根据炭质千枚岩洞段围岩现有支护参数及变形监测数据,分析千枚岩洞段围岩和支护结构的变形特征。结合室内物理力学试验得到千枚岩的基本物理力学参数和力学特性。按成因机制将围岩变形破坏分为三种类型:岩性控制型、岩体结构控制型和构造破碎带控制型,分析了炭质千枚岩围岩的变形主要影响因素:(1)炭质千枚岩岩性软,遇水软化现象显著;(2)隧道局部洞段地下水发育;(3)隧道围岩结构面较发育;(4)受米亚罗断层影响,断层影响范围内的岩体破碎;(5)未及时加强支护措施;(6)掌子面爆破扰动次数较多。其次,利用有限差分软件初步拟定支护结构的优化方案和思路,根据隧道实际尺寸和地质条件建立计算模型,分析隧道主要支护结构参数的增强对控制变形效果的影响。结果表明,锚杆的优化对控制围岩变形作用小,喷层厚度、钢拱架间距和二衬厚度的优化效果较为显著。所以在物理模拟试验中进行支护结构优化设计时主要针对后三者进行研究。最后,根据相似原理,通过试验选取围岩、钢拱架、喷射混凝土及二次衬砌等模型材料,自主设计模型试验箱和量测系统,进行隧道支护的优化设计研究。研究结果表明,喷层厚度从24cm增加至30cm、钢拱架间距从80减小至64cm都能够较好的增强围岩的稳定性,二衬厚度从48cm增加至64cm能够较好的抵御围岩后期的持续变形,具备足够的安全储备,也有良好的经济性和可行性。优化后的支护结构具有良好的控制围岩变形的能力,又能使支护结构受力适中。