随着我国西部大开发和中部崛起战略的实施,近年来复杂地质条件下的大型地下工程不断涌现,实际工程中所遇到的地质环境恶劣,围岩软弱,且岩体中往往存在节理、裂隙等不连续的软弱结构面,给地下工程的设计和施工带来挑战。软弱结构面的存在影响岩体的物理力学性质,围岩变形和强度的各向异性及软弱结构面的低强度特征使地下工程稳定性问题复杂化,迄今为止仍然是一个前沿热点课题。层状岩体是指分布有一组优势软弱结构面的沉积岩,其结构特点就是层面的定向排列,该类广泛分布于自然界,是隧道、采矿、油气开发等地下工程中常见的一类岩体。由于具有层状结构,层状岩体是一种非连续、非均质、各向异性的力学介质,其变形和强度性质具有明显的横向各向同性性质,与各向同性岩体有很大的差别。在层状岩体地下工程中,岩体变形和强度的各向异性及软弱结构面的低强度特点使得隧洞围岩的变形、加固支护和稳定性问题十分复杂。在进行这类岩体工程施工时,原岩的应力平衡状态容易受到破坏,导致隧道围岩的应力重分布,使得周围一定范围内的岩体发生塑性变形,而此塑性变形区域即为选题研究的“扰动区”,开挖扰动形成过程及其变形破坏机理十分复杂。因此,综合层状岩体复杂地质特性及扰动区变形的复杂性,有必要对层状岩体扰动区演化进行深入细致的研究。本文以武汉花山大道隧道工程课题为依托,紧密围绕隧道工程中层状岩体围岩稳定性问题,对层状岩体隧道开挖扰动区形成及其锚固机理开展细致的研究。花山大道穿越九峰山系的宝盖山、钵孟峰及长山山体,沿线设宝盖山隧道与长山隧道。宝盖山隧道全长587m,属中长隧道,隧道上方宝盖山标高约137m、钵孟峰标高约117m,隧道最大埋深63.5m,在宝盖山与钵孟峰间山谷部位,隧道埋深约6.5m。通过系统的室内模型试验、理论建模、数值模拟、现场监控量测与反演分析等方法,全面系统地研究层状岩体破损机理、围岩稳定性、锚固机理与隧道施工过程数值模拟研究,并与花山大道隧道工程实际监测数据进行综合对比分析。论文主要研究内容和创新点如下：(1)为研究层面倾角、夹层和弱面性质对层状岩体强度和变形各向异性的影响规律,开展了层状岩体和软硬互层岩体两类层状岩体的物理模型试验,并运用大型有限元软件ABAQUS对层状岩体在不同倾角下的破损机理和强度特征进行了数值模拟试验,结合对层状岩体力学模型的理论推导,探讨软弱面、软硬分层以及倾角变化对岩体变形破损的影响规律以及岩体强度的各向异性特征。对于层状岩体,当岩层倾角较小时(小于45°),岩体破坏主要为岩石先破坏,其次为层面错动破坏；当岩层倾角增大时(45°-75°),岩体的破坏以层面的剪切破坏为主,并伴有劈裂破坏；当岩层倾角增大到90°时,岩体的破坏为沿层面直接破坏,伴有局部的失稳劈裂。对于软硬互层岩体,当岩层倾角较小时(小于30°),岩体破坏主要为内部夹层先破坏,其次为层间错动破坏；当倾角在45°～750范围时,岩体的破坏以层间的剪切破坏为主,并伴有局部硬夹层的劈裂破坏；当倾角增大到900时,岩体的破坏为两种形式,一是软硬夹层交互处剪切破坏,二是边界处硬分层劈裂破坏。(2)层状岩体中存在着定向结构面,导致其力学特性具有明显的各向异性,将层状岩体视为由基岩和定向结构面构成的一种复合介质,分别考虑定向结构面和基岩各自的力学特征,建立基于Drucker.Prager准则的各向异性力学模型。该模型克服了常规层状岩体力学模型不能反映地层结构面特性问题,又克服了不能独立考虑基岩的破坏特征问题。在此基础上,提出了该模型的求解方法,并基于ABAQUS二次开发平台,编制了计算程序,通过与经典理论进行对比,例验证该模型的有效性和实用性。然后,将该模型应用于岩石基础工程和地下工程中,所得结果可以较好反映层状岩体各向异性特性,且与工程实践基本相符,该模型可以客观地反映层状岩体变形和强度的各向异性。(3)随着监控量测和计算机的技术发展,为层状岩体隧道围岩力学参数和地应力场的获取提供了新的途径。针对常规反演方法应用于地下工程参数反演时搜索效率低、计算量大的缺点,提出基于单纯形法.模拟退火算法耦合的地下工程有限元优化反演方法,为隧道工程施工期间的现场监测数据反馈问题提供参考。以测点的实测值与计算值建立误差函数,构建罚函数优化目标函数,将有限元商业软件作为一个单独模块嵌入到改进的优化算法中,编制了优化反演分析程序,采用典型算例验证该方法的有效性,该方法用较少的迭代次数就能得到满足精度要求的结果,是一种可行的方法,可应用于实际工程中复杂岩体初始应力场反演、渗流场以及位移反分析。(4)层状岩体隧道开挖与支护工程的数值模拟是一个非常复杂的施工过程力学问题,由于层状岩体结构面的低强度特征和力学各向异性特性使层状岩体围岩稳定性问题复杂化。根据隧道开挖的施工方法和相应的地质资料,提出了锚杆单元嵌入技术的围岩锚固简化数值处理方法,建立考虑施工过程的精细数值模拟模型,数值模拟层状岩体隧道开挖、支护、平衡演化过程,探讨不同施工质量和施工方法围岩开挖扰动区演化和锚固机理,研究结构面特性、施工条件、应力释放对于围岩扰动的影响,揭示层状岩体隧道围岩变形破坏的物理本质。研究结果表明,结构面特性和分布对围岩稳定性有较大的影响,层面组数越多,围岩塑性区越大,而基岩所对应的塑性区却逐渐减小,也即岩体的破坏主要由层面组控制,建立的模型可以有效描述软弱层面的张开与闭合效应以及岩体强度的各向异性,不必特意沿着层面划分有限元网格,简化了有限元建模和计算。(5)以武汉花山大道隧道工程为依托,开展隧道围岩和支护结构现场监测研究,建立三维精细数值模拟模型,结合现场实测资料,采用有限元优化理论,反演出合理的围岩参数,通过与实测资料值进行对比,数值模拟结果与现场观测结果吻合较好。然后,通过对施工开挖和支护过程三维弹塑性有限元数值模拟,系统分析隧道围岩扰动区、变形、以及锚杆受力规律,并对下一步开挖进行数值模拟,预测后续开挖施工时隧洞围岩变形,应力、塑性区分布,分析支护的合理性,对洞室围岩稳定进行预测,为工程的安全施工提供保障。