千枚岩地层具有显著的强度各向异性和变形各向异性特征,对千枚岩隧道的施工力学特性具有重要影响。目前工程中采用的设计及施工方法普遍基于各向同性理论,忽视了地层各向异性对隧道开挖力学行为的影响。本文以高地应力陡倾千枚岩隧道实际工程为研究背景,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等技术手段,运用了理论推导、本构模型开发、灾害调查和数值模拟等方法,对千枚岩地层隧道的力学行为开展了深入的研究。本文所开展的主要研究工作及成果有:(1)绿泥千枚岩的主要矿物成分有石英、绿泥石和伊利石等,千枚岩微观上具有“薄片状”结构,通过各向同性矿物薄片叠合的方式形成千枚岩,使千枚岩宏观上具有横观各向同性力学性质;(2)对能够同时考虑层状岩体强度各向异性和变形各向异性的增量弹塑性本构模型(横观各向同性弹塑性遍布节理模型)进行了理论完善、二次开发和数值验证,结果显示该本构模型能够较好的描述千枚岩的强度各向异性和变形各向异性特征;(3)讨论了单弱结构面理论对层状岩体强度各向异性描述的有效性,推导了横观各向同性材料空间弹性模量曲面及弹性变形各向异性曲线理论公式,并说明了层状岩体的弹性变形各向异性曲线类型主要受材料的平面外剪切模量影响;(4)将理论研究成果应用于成兰铁路杨家坪隧道,对以垂直于隧道轴向的水平地应力为主导的陡倾千枚岩铁路隧道施工过程进行了三维数值模拟分析,揭示了陡倾千枚岩隧道的灾变机理,验证了本构模型的有效性;(5)基于单弱结构面理论,推导了层状岩体极限侧压力系数方程。基于本文开发的本构模型,对千枚岩地层中不同侧压力系数和地层产状条件下的无支护圆形隧道进行了力学分析,并总结了其二次应力状态力学行为规律。本文研究成果能够为类似的千枚岩地层地下工程提供有益参考。