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由于岩层的顺层分布往往会引起隧道出现地质偏压现象,而这种情况下围岩和支护结构的变形受力相对于非偏压隧道来说较为复杂,特别是层理分布数量多、间距小时,影响结果更加明显,通常会使支护结构出现严重的变形破坏和掌子面垮塌现象。因此,对顺层偏压隧道在施工过程中围岩与支护结构的变形受力特征的研究就变得尤为重要。本文依托中老铁路玉溪至磨憨段勐松2号隧道顺层偏压部分为工程研究对象,在现有理论研究的基础上,采用数值模拟分析和现场监控量测相结合的方法,对顺层偏压段支护结构和围岩的变形受力特征进行研究,并提出了针对顺层偏压隧道的支护结构优化方案,主要研究内容和结论包括以下几个方面:(1)分析了节理岩体的等效模型和力学行为以及顺层偏压隧道围岩压力的计算方法。(2)对顺层偏压段制定现场监测方案、安装监测仪器和数据整理来研究围岩和支护结构的变形受力情况,研究结果表明:下台阶开挖前初期支护的变形量占总变形量的70%,拱腰位置水平收敛最大值为217.3mm,围岩压力在空间上呈“右大左小”的分布形式,钢拱架应力在空间上表现为“上大下小”和“右大左小”分布特点,上台阶围岩应力比下台阶大且支护结构的受力与变形不耦合,出现结构破坏先于变形失稳发生的情况。(3)通过模拟勐松2号隧道顺层偏压段开挖对围岩和支护结构的响应,结果表明:左拱腰的竖向位移值小于右拱腰处位移值,隧道出现左右变形不对称的现象且变形主要集中在上台阶断面位置,整个隧道呈明显的偏压受力状态。(4)通过建立顺层岩体在不同岩层厚度和岩层倾角工况下的三维数值模型,来研究在顺层岩体中修建隧道时围岩和初期支护的变形受力情况,研究结果表明:围岩的水平位移、最大剪应力值和锚杆轴力随着岩层厚度的不断增加而逐渐变小,围岩的水平位移、最大主应力和锚杆轴力随着岩层倾角的增大而增大,可知岩层厚度越大围岩完整性越好,岩层倾角越大围岩稳定性越差,偏压作用在岩层倾角为65°时最为明显。(5)提出三种偏压隧道初期支护结构优化方案,对比分析三种支护方案下围岩和支护结构的受力情况,研究结果表明:通过改变上台阶左侧断面所有锚杆的角度而保持锚杆长度和其他支护参数不变的方案为最合理方案,并提出在偏压隧道后续的施工过程中建议加大隧道偏压侧支护结构的断面尺寸和配筋。