昔格达地层是我国西南地区著名的一种河湖相沉积半成岩,其遇水泥化、水敏感性强、强度低等特点容易造成边坡滑坡、路堑失稳和桩基不稳定。随着成昆复线的修建,穿越昔格达地层的长大隧道工程数量越来越多,在施工过程中极易发生初支开裂、掌子面坍塌和拱顶大变形等灾害。目前对于昔格达地层隧道相关的理论与实践研究处于基础阶段,而关于昔格达地层长大隧道围岩变形-灾变特征及其失稳机理尚无学者进行系统研究。因此本文在得到国家自然基金项目、中铁二院科技项目和中交隧道局科技项目的支持下,以成昆复线攀西地区三座长大隧道为依托,采用现场调研、文献调研、室内物理力学试验、数值模拟、现场监测、数学模型和理论研究等多种研究手段,探究了昔格达地层长大隧道围岩变形-灾变特征及失稳机理,主要研究工作及结论如下:(1)系统开展了昔格达地层隧道围岩的物理和力学特性试验,试验表明昔格达地层在压缩模量上属于“弱化-屈服型”;水对昔格达地层隧道围岩的粘聚力敏感性强度大于内摩擦角;黄色页岩夹砂岩的粘聚力对水敏感性最高,灰色页岩夹砂岩的内摩擦角对水敏感性最高,浅灰色砂岩夹页岩和黄色砂岩夹页岩属于砂性岩层,水的作用对其影响相对其他岩性较小;浅灰色页岩夹砂岩、浅灰色砂岩夹页岩、灰色页岩夹砂岩、黄色砂岩夹页岩和黄色页岩夹砂岩抗剪强度水敏感性含水率临界值分别为22%、14%、22.9%、12.9%和26.7%。(2)依托室内物理力学试验结果,结合数值模拟开展考虑整体和局部含水率变化的昔格达地层隧道围岩变形特征;当昔格达地层隧道围岩整体含水率达到25%时,在不同埋深条件下,隧道开挖产生的拱顶累计变形、仰拱累计变形、水平收敛累计变形及掌子面挤出变形值均有较大的突变,可以将25%的含水率做为昔格达地层围岩变形的“临界值”;昔格达隧道环向局部含水率变高,拱顶和仰拱及其附近区域的高含水率侵湿对围岩竖向位移的影响最大;含水率增大对隧道边墙的水平围岩变形影响最大,对拱顶和仰拱处的水平位移变化影响最小;纵向仰拱局部含水率侵湿的类悬臂梁式在基底处含水率变化对拱顶与拱底处竖向位移影响较大,两个部位位移增长率分别为89.4%与81.2%,而对边墙水平位移影响较小,边墙水平位移仅增长了66.7%;纵向仰拱局部含水率侵湿的类简支梁式在高含水率中心两侧位移变化有所不同,靠近掌子面一侧初期支护随着含水率的增大,位移增大速率高于远离掌子面一侧,但始终小于远离一侧。(3)基于几何方法类比方法得到昔格达地层隧道围岩轮廓近似圆半径与昔格达地层隧道高跨参数的关系:a(28)(b(10)H)/3.894;通过建立昔格达地层隧道开挖扰动力学模型,结合弹性力学应力-应变-位移方法,推导出昔格达地层隧道开挖过程中弹性、塑性和松动区的围岩变形特征公式:(4)通过数值模拟和现场监测得到昔格达地层隧道围岩含水率在30%时,隧道各部位的累积沉降过大,其值已达到隧道灾变状态,因此含水率30%为昔格达地层隧道围岩灾变值;通过分析得到昔格达地层隧道灾变因子源:地质及岩体力学性质因子、水文地质因子和施工因子;采用层次分析法确定灾变源因子权重排序,最大的为昔格达地层自身地质及岩体力学性质因子0.6250,其次是水文地质因子0.2385。(5)系统对昔格达地层隧道围岩在不同含水率状态下的失稳机理展开研究,得到在低含水率状态下(0~10%)昔格达地层岩体水平层理完整性较好,失稳主要受到压力荷载作用下呈现的剪切变形;在低含水率与含水率灾变临界值之间时(10%~25%),昔格达地层隧道围岩含有大量亲水膨胀性矿物,主要发生化学膨胀作用,围岩产生裂隙,在荷载较大的情况下伴有剪切变形,因此此阶段可定义为剪胀变形;在超过含水率灾变临界值并达到含水率灾变值(30%)时,昔格达地层隧道围岩失稳主要表现为塌方突泥大变形等现象,此时其失稳机理较为复杂,伴有剪切、化学膨胀和物理泥化等同时作用。