在高自稳能力围岩中,进行隧道的开挖与支护,所能应用的手段已十分成熟,其安全风险也相对较小。目前隧道工程的难点主要集中在软弱破碎围岩条件下各区段的施工作业,这类隧道从开挖到支护再到运营的全生命周期内,各类支护手段在客观上共同形成了一个有机的支护体系,这个体系的最终形态在空间上将呈现出圈层分布的特点。从时间上来看各种支护手段的配搭与组合又呈现出了不同刚度特性,其中的关系可谓错综复杂。因此有必要从各种支护手段的支护特性出发,对整个支护体系的内在相互作用关系进行研究。本文在查阅大量相关文献资料的基础上,经过缜密的思考将"开挖—支护"过程在时间顺序上划分成了三个阶段,并在空间上建立了圈层模型,由此将各类支护手段囊括在内,形成了一套完整的隧道支护体系。在此基础上采用室内试验、理论推导、数值模拟和现场验证等方法,对超前支护、锚杆支护、喷射混凝土拱架、二次衬砌的支护特性分别进行了研究,并对支护结构之间的协同作用原理进行了深入的探讨,具体的工作内容及相关成果总结如下:1、建立了相互嵌套的圈层模型。视围岩、支护为统一的整体,将整个隧道划分为:自稳原岩圈、初步加固圈、初期支护圈、二衬储备圈四个有机的组成部分;给出了模型任意圈层的内力、变形关系表达式,并明确了隧道支护体系所包含的内容;通过分析隧道围岩应力释放的时空效应,从任一断面出发将围岩的应力释放分为三个阶段:I超前变形阶段、II急剧变形阶段、III缓慢变形阶段,并在此基础上划分了四类施工风险,认为软弱破碎围岩的安全风险控制应当从I阶段就开始介入。2、考察了各种围岩稳定性初步控制方法的效果。总结了各类超前支护方法的特点,通过分析发现"掌子面周边岩土体"加固方式对洞室收敛的控制力更强,"掌子面前方核心岩土体"加固方式对掌子面的鼓出控制效果明显;给出了深、浅埋隧道系统锚杆分布建议,认为浅埋隧道的洞内锚杆打设位置应集中在拱顶与两肩,此外还需配合地表注浆共同加固。深埋隧道的锚杆布置应集中在拱腰、边墙部分,拱顶锚杆的效果不明显,而锁脚锚杆对控制整体沉降贡献很大。此外,还进一步讨论了偏压条件下围岩应变软化区的分布特点,结果显示锚杆"非对称"布置有利于隧道拱顶沉降的控制,"转角度"布置则有利于隧道横向变形的控制。3、明确了初期支护结构承载能力的计算方法。通过两铰拱模型、无铰拱模型的计算,分析了各种拱脚加固方式下初支拱架的失稳特征,计算中充分考虑了箍筋、"之"字筋对拱架支护刚度与临界荷载的影响。针对喷射混凝土拱架提出了带肋柱壳的模型,运用瑞利-里兹法计算出喷射混凝土与钢拱架联合体的承载特性与临界荷载;通过模型试验发现,高强钢筋的应用不仅显著提高了格栅混凝土拱形支护结构的极限承载力和极限变形能力,还能够降低工程成本、提高施工质量和支护结构的安全性,具有显著的经济效益和社会效益;4、研究了二次衬砌结构的极限承载能力。揭示了高速铁路隧道二次衬砌结构的变形、受力特点,分析了不同侧压力系数条件下二次衬砌结构塑性区的发展特征;认为在侧压力系数λ=1.4时,双线350km/h—V级高速铁路隧道二次衬砌的承载效果达到最佳;高速铁路隧道二次衬砌中的钢筋主要起到控制衬砌单元的第一主应力(拉应力)的作用,在侧压力系数偏小和偏大的条件下的效果最为明显;通过实测数据的对比,论证了二次衬砌作为安全储备的可行性。5、分析了隧道支护体系的协同作用原理。在提出虚拟掌子面概念的基础上分析了隧道开挖方向上各区域的支护刚度特点,分析了各种组合形式可能出现的失效类型,定性地给出了隧道支护体系的全过程支护特征曲线;结合前面章节中关于各支护结构支护特性的研究结论,建立隧道支护体系的数值模型,着重分析了超前支护手段内部、初步加固圈层与后续支护圈层之间的协同原理,进一步明确了隧道支护体系协同作用的对象、手段和目的。