地下工程灾害防护是防灾减灾工程及防护工程学科的重要研究方向，但是随着地下工程的大规模开发与建设，岩土体地质条件的特殊性、随机性和复杂性越来越突出，使得人们对围岩变形破坏及其力学机理、地层锚固支护规律等方面的认识还不够深入，长期以来使得地下工程的设计施工处于依靠实践经验和定性阶段，往往出现围岩变形、塌方、冒顶等诸多工程事故或锚固强度过大、经济浪费现象严重两种极端的情形。因此，充分研究地下洞室围岩变形破坏的力学机理，深入认识地下洞室锚固支护的规律，在此基础上合理定量的评价围岩稳定性，并采用科学、定量、动态的方法对地下洞室工程的开挖和支护进行优化设计，通过定量的方案优选，达到“既安全可靠，又经济合理”的目的，成为目前岩土工程界迫切需要解决的问题，对正确指导地下结构的设计和施工也具有重大的理论意义、现实意义和深远的社会意义。 本论文针对目前地下工程建设的需要和所存在的不足，按“新奥法”信息化设计施工的思想，考虑围岩与支护的共同作用，将数值分析软件FLAC<3D>程序应用于地下洞室锚固设计，并以围岩分类为桥梁，基于工程类比法，对地下洞室开挖与加固稳定性问题进行数值模拟，研究开挖导致围岩变形破坏规律、支护结构锚固机理和规律，并借助正交试验法进行设计参数优选的系统的、全面的、综合的研究。最后以江西上奉隧道这一具体工程为例，进行岩体开挖支护优化设计，为上奉隧道后续设计与施工，以及其他同类地下洞室工程的开挖与支护优化设计及施工提供科学依据和参考。 全面分析了国内外地下工程支护结构理论、围岩稳定性分析理论与方法及地下洞室结构优化设计研究现状，进而综合研究了地下洞室围岩稳定性问题，并探讨了围岩稳定性的评价方法、影响因素及失稳判据，然后针对围岩变形失稳的特点和规律，对不同类型的锚固方式进行了锚固机理研究，以正确指导锚固方案选择，合理完成优化设计，并全面研究分析了不同锚固方式的仿真方法，根据锚固方式和地下洞室的特点，选取了合适的数值模拟软件。 研究并解决了优化设计的技术问题，全面分析了国内外围岩分类方法及研究应用现状，选择合理的围岩分类方法，以根据工程类比进行优化设计，为正确指导地下洞室优化设计提供了前期准备。研究了不同开挖支护参数对围岩稳定性的影响，通过对不同方案的数值模拟或正交试验，研究分析了围岩稳定、围岩应力应变规律、破坏区规律，确定了各参数对围岩破坏的作用机理、影响特征及影响程度的大小，确定了主要影响参数，为优化设计及工程应用提供了必要的参考。 最后，以江西上奉隧道为例，进行了洞室开挖及支护全过程的三维弹塑性仿真计算，根据不同开挖支护参数的研究，通过工程类比法并参照相关规范，经综合考虑确定合理的开挖断面和开挖支护工序等，并初步确定支护参数值的范围，以顶底板相对位移、两帮相对位移、地表沉降、塑性区体积等评价指标综合判定围岩的稳定性，借助正交数值试验法，建立了定量评价锚喷支护加固系统的优化决策系统，进行优化决策分析，得出最优方案，结果评价分析表明围岩稳定，支护结构安全可靠，验证了本文提出的优化方案是正确和可行的。