鄂西北地区地处我国中部山区内陆地带,境内崇山峻岭,山川河谷交错,地形地貌与地质条件复杂,存在众多近东西向大型地质构造,主体岩性为浅变质岩。受多期地质构造作用影响,片状岩体具有强度低、松散破碎、完整性差、非均匀性以及各向异性显著等特性,使得公路隧道在开挖过程中,围岩结构易破坏,给隧道工程建设带来了较大困难。因此,开展变质片岩的工程特性研究对片岩区隧道工程的建设具有重要的研究与指导意义。本文以十堰至巫溪高速公路鲍峡至溢水段14座隧道为工程背景,通过地质调查、现场试验、室内试验、理论分析、数值模拟等研究手段,研究武当山群片岩的微观、物理、水理和力学性质,建立片岩的损伤统计本构模型,并结合工程实际分析其工程特性对隧道稳定性的影响,论文的主要研究内容和成果如下:（1）对研究区14座隧道的工程背景、工程概况及地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件等工程地质特征进行精细现场调研,对现场资料进行了搜集整理,对已有勘察报告实施了分析,为研究武当山群片岩工程特性及其对隧道稳定性影响提供工程与地质基础。重点研究区域地应力特征,表明该区地应力场以水平应力为主导,初始地应力量级为极高地应力水平。（2）通过偏光显微镜试验研究武当山群片岩的矿物成分、微观结构,分析垂直和平行片理面方向上,矿物颗粒的形状和排列特征差异。通过X-射线衍射（XRD）试验,对比分析各类片岩的矿物成分以及含量。通过扫描电子显微镜（SEM）分析垂直和平行片理面方向云母片岩的表面形貌微观特征,采用PCAS软件对SEM图像进行定量分析,确定平行片理面方向上裂隙面积比例为1.24%,垂直片理面方向上裂隙面积比例为21.37%。（3）通过开展波速试验研究武当山群片岩的波速各向异性特征,开展片岩的密度试验、吸水性试验、软化性试验和耐崩解性试验,获取了不同片岩的密度、吸水率、软化系数和耐崩解性指数等基本物理水理参数指标。（4）通过单、三轴压缩试验,研究水和围压影响下的不同片理面倾角片岩的强度、变形参数和各向异性特性。片岩的单轴、三轴抗压强度和弹性模量随加载方向与片理面夹角β的增大先减小后增大,最小值出现在β=30°,具有明显的各向异性特征。饱水之后,片岩的抗压强度和弹性模量均不同程度的降低,其中β=30°时下降程度最大。相同片理面倾角和含水状态下,钠长片岩的单轴抗压强度和弹性模量均大于云母片岩。（5）采用室内直接剪切试验,研究片理面的力学性质及其影响下岩石抗剪强度和剪切破坏模式的各向异性特征,获取不同片理面倾角片岩的抗剪强度以及内摩擦角、黏聚力。片岩的峰值抗剪强度、残余抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和破坏模式表现出了明显的各向异性特征,其中β=90°时的抗剪强度和抗剪强度参数最小,表明片岩的片理面为岩石中的薄弱面。饱和之后,片岩的抗剪强度和抗剪强度参数均呈现不同程度的减小。同一含水状态、法向应力和片理面角度时,钠长片岩的峰值抗剪强度、内摩擦角和黏聚力均大于云母片岩。（6）片岩作为横观各向同性体,推导出三轴应力状态下横观各向同性岩石在弹性阶段的本构方程和不同倾角的弹性参数。基于Weibull概率密度函数和应变等价思想,建立了横观各向同性岩石的损伤统计本构模型,根据三轴压缩试验结果对建立的本构方程进行验证,确定了模型的合理性。（7）采用数值模拟方法研究围岩的各向异性特征、地应力和水的软化作用,对隧道围岩变形破坏的影响。研究弱化锚杆、增强初期支护的强度与厚度的支护型式对围岩变形、塑性区和锚杆受力的影响,并根据数值模拟结果,进一步优化支护结构。基于正交试验方法,确定各支护结构对围岩变形的影响程度。（8）通过现场监控量测,分析围岩拱顶沉降和水平收敛随时间的变化规律。基于最小二乘支持向量机建立隧道围岩变形时序预测模型,分别采用粒子群算法和遗传算法优化支持向量机参数,并对围岩的拱顶沉降和水平收敛进行预测分析,确定最佳预测模型。