木寨岭特长公路隧道及其斜井穿越多条断层破碎带及炭质板岩地层,地质情况较为复杂,主要表现为:断层构造作用强烈、地应力高、隧道埋深较大、地下水发育等。以木寨岭隧道2#斜井为例,在工程建设期间多次发生初支破坏情况,其变形特征主要表现为:非对称变形、围岩变形量大、变形持续时间较长、初支结构破坏严重,其综合换拱率已达27%。现有支护手段已经很难满足该地质条件下的隧道建设需求,对项目建设工期以及施工安全造成严重影响。目前,在煤矿软岩支护领域中,高预紧力恒阻锚索控制技术已经推广应用,且取得了较好的应用效果。恒阻锚索是因为恒阻器内的恒阻体与套筒产生相互摩擦作用,产生恒阻大变形,由于恒阻体的挤压作用,套筒产生了横向膨胀,从而实现宏观上的NPR(Negative Poisson’s ratio)结构效应,因此恒阻锚索也称为NPR锚索。针对木寨岭隧道在建设期间出现的隧道围岩大变形问题,探索高预紧力恒阻支护技术在隧道中的应用效果,本文依托木寨岭隧道2#斜井,对其工程特征、变形机理进行分析,阐述了高预紧力恒阻锚索在深埋薄层板岩隧道中对围岩的控制机理,针对隧道围岩的非对称性变形特征提出了非对称高预紧力恒阻锚索支护策略,采用相似模拟、数值模拟以及现场实测的手段,进行了该支护策略的可靠性验证。得出的主要结论如下:(1)根据现场资料调研以及现场、室内实验,明确了木寨岭隧道2#斜井围岩主要以薄层状炭质板岩为主,优势节理倾角在0至90°内皆有分布,最大水平主应力方向与木寨岭隧道2#斜井夹角为37°～42°左右。根据《工程岩体分级标准》判断该区域属于极高地应力,且地层岩体较为破碎,隧道围岩发生大变形可能性较高。通过对不同节理倾向下的围岩进行岩石力学实验,得到了节理倾角对围岩强度的影响。采用点载荷实验仪器在施工现场对炭质板岩进行了测试,测试结果表明,天然状态下炭质板岩样品单轴强度平均值为29.5MPa;炭质板岩饱和吸水单轴强度平均值11.7MPa。(2)通过对木寨岭隧道2#斜井统计分析表明,隧道变形量超1m处皆埋深超过500m。建立了基于薄板理论的板岩隧道结构力学模型,采用摩尔库伦理论模型分析了不符合采用薄板理论分析的区域,研究表明,影响薄层板岩隧道变形的主控因素包括:隧道洞泾;隧道埋深;节理倾角;围岩吸水软化。提出了含优势节理组的等效遍布节理数值建模方法,并通过GSI地质分级的方法,将岩石强度向岩体强度转换,结合现场实测数据反演分析,得到了数值模拟有关参数。利用数值模拟方法,全面分析了 15°、30°、45°、60°、75°节理倾角对隧道稳定性的影响,同时进行了不同埋深及岩石饱和含水情况下的围岩稳定性分析,研究表明:45°节理倾角相比其他倾角条件,围岩变形更明显;随着埋深增加,隧道变形破坏情况加剧,当埋深500m时,隧道出现了失稳现象,不仅出现了左肩窝处薄板弯曲破坏,也出现了隧道围岩块体滑移失稳。围岩吸水软化后,塑性区也明显扩展。(3)通过对恒阻锚索静力学拉伸实验可知,恒阻锚索变形在0-50mm左右时为弹性变形,当恒阻锚索拉力达到35t时,进入恒阻变形阶段,恒阻拉伸长度约为350mm。对恒阻锚索吸能机理进行了分析,同时对围岩释能方式进行了分析,采用薄板弹性地基梁计算方法得到钢拱架及初喷混凝土吸收能量,将围岩产生能量与钢拱架、初喷吸收能量做差,得到恒阻锚索应该吸收能量的计算方法。分析了高预紧力长短锚索相互作用下的岩体组合梁及悬吊作用,研究认为:短锚索在预紧力的作用下,将浅部围岩形成组合梁,高预紧力锚索将薄板挤压形成厚板提高其抗弯刚度。长锚索按照悬吊理论所示,将短锚索形成的组合梁悬吊于稳定岩层之中,从而避免组合梁的失稳。数值计算表明,高预紧力作用下长短恒阻锚索产生的应力场能够有效覆盖支护范围内顶板,能够对顶板主动加固起到作用。(4)针对木寨岭隧道2#斜井非对称变形的现象,在前期研究基础上,提出了采用高预紧力恒阻锚索+锚网+W钢带+钢拱架+喷浆的初支体系,并采用非对称支护控制隧道围岩关键部位变形的支护控制策略。采用3D打印技术进行了恒阻锚索等比小型化制作,在此基础上进行了相似模拟实验对比研究,实验表明含锚索支护隧道围岩能够显著增加围岩整体强度,有效控制围岩变形。建立了考虑长短恒阻锚索以及钢架、混凝土的数值计算模型,采用摩尔库伦本构模型下的cable单元进行恒阻锚索的模拟,将钢拱架+初喷+钢筋网等效为实体模型进行数值建模,研究表明:在无恒阻锚索支护情况下,隧道左肩处发生明显变形,隧道整体非对称变形特征明显;在含恒阻锚索的初支结构下,左肩处围岩变形略大于右肩,非对称变形明显降低,且变形量明显小于无恒阻锚索情况。(5)利用隧道围岩变形监测、锚索受力监测、钢拱架受力监测以及围岩深部多点位移监测等手段,对实施高预紧力恒阻锚索支护的隧道围岩进行监测分析,监测结果表明,在非对称高预紧力恒阻锚索支护体系的作用下,隧道围岩变形皆处于可控阶段,监测点最大收敛量为230mm,小于预留变形量。锚索预紧力损失在5t左右(预紧力35t),锚索作用于围岩上的力大约30t,随着围岩变形增加锚索受力增加,直至达到恒阻值。钢拱架受力均未超过屈服强度。根据对围岩深部位移的监测表明,浅部围岩在高预紧力锚索作用下离层较小,离层主要在5m-10m范围内分布。