昔格达组地层是一种形成于不同河湖相沉积环境的半成岩,广泛的分布于我国西南地区各大江大河及其支流的河谷地区,主要由粉细砂岩与粘土岩组成。可变的结构性与较差的胶结程度决定了昔格达组地层特殊的力学性质,主要表现为遇水软化、崩解,工程强度急剧降低。新建成昆铁路扩能改造工程大量隧道穿越昔格达组地层,隧道施工过程中易发生喷射混凝土开裂、掉块、钢架变形甚至塌方冒顶等工程灾害。而问题的关键在于隧道掘进过程中围岩与支护的相互作用关系,通过探究围岩与支护力学响应的动态变化过程,把握围岩的稳定状态与支护结构的承载情况,能为昔格达组地层隧道的围岩变形控制及支护设计提供一定的理论依据。针对以上问题,本文采用文献调研、理论分析与数值模拟相结合的方法开展了深入研究,主要研究工作及结论如下:(1)基于统一强度理论与围岩理想弹塑性力学行为,考虑中间主应力与围岩剪胀特性的影响,给出了圆形隧道围岩应力与变形解析解。研究发现:对于昔格达组页岩夹砂岩,中间主应力影响系数b越小,围岩径向位移就越小,围岩径向应力、隧道内壁处切向应力和围岩峰值切向应力就越大;围岩径向位移会随着剪胀角的增加而增大;围岩强度越低,受到中间主应力影响系数b和剪胀角的影响程度就越大,当含水率超过20%后尤为突出。(2)基于掌子面空间效应的约束损失原理,考虑了喷射混凝土的硬化特性,提出了一种解析隧道围岩与支护相互作用过程的数值方法,并开展了一系列参数分析。研究表明:在不同中间主应力影响系数b与含水率的影响下,围岩与支护作用规律在支护临界点前后相反;从变形控制角度出发,支护结构受力随着剪胀角的增大而增大;当考虑喷射混凝土硬化特性后,钢架组合支护体的受力变形全过程可分为四个阶段;支护刚度与支护时机对围岩位移与支护结构受力有显著影响;型钢与格栅钢架组合支护体均适用于昔格达组页岩夹砂岩地层隧道,但格栅钢架组合支护体系对喷射混凝土的硬化参数及隧道开挖速度更敏感。(3)考虑不同的钢架组合支护体系,采用数值方法对昔格达组地层隧道的施工全过程进行了模拟分析。研究表明:在不同含水率与不同钢架型式下,围岩变形与支护单元应力发展规律是一致的;型钢与格栅钢架组合支护体系对围岩塑性区发展和围岩变形的控制效果相当,型钢组合支护结构的受力更大。