土拱效应广泛存在于岩土工程中。由于目前对隧道开挖过程中土拱形成、演化以及应力转移机理的认识不足，导致对隧道土压力计算理论等相关问题的研究受到一定制约。因此，本文采用数值分析与理论计算相结合的方法，首先对隧道开挖引起的土拱效应进行了深入分析。在此基础上分别建立了深埋隧道上覆土压力以及开挖面极限支护力的计算模型，最终获得了隧道上覆土压力和开挖面极限支护力的计算方法。本文研究成果可为深埋地下结构设计与施工提供参考，主要内容和研究成果如下：
　　(1)基于三维有限元模型分析探明了土压平衡盾构掘进引起的应力重分布和土拱演化。分析了隧道开挖过程中土压力、侧压力系数和隧道上方土体沉降的变化，确定了隧道上方松动区和土拱区的范围，揭示了隧道开挖过程中土拱区的三维应力转移机理。此外，探讨了盾构掘进参数(支护压力、注浆压力)对土拱演化的影响。结果表明，松动区在垂直方向上延伸至隧道顶部上方约0.73D(D=隧道直径)的距离，土拱区位于松动区上方，高度约为1.27D。盾构前方地表附近出现了水平土拱，并且随着盾构推进，水平土拱逐渐转变为竖向土拱，衬砌安装后，土压力最终主要通过横截面内的竖向土拱传递。控制松动区扩张的合理盾构掘进参数组合为：支护压力0.6P1-2.2P1，注浆压力1.0P2-1.8P2，其中P1为隧道轴线处的初始水平应力，P2=1.2P1。
　　(2)提出了计算干砂地层深埋隧道上覆土压力的组合拱模型。该模型由三部分组成：上部端承拱、稳定区和下部摩擦拱，其中端承拱和摩擦拱分别采用半圆拱理论和水平分层理论计算。确定了摩擦拱区宽度、端承拱区厚度和摩擦拱区侧压力系数等关键参数，并推导了摩擦拱区高度计算公式，进而获得了深埋圆形隧道上覆竖向土压力的计算方法。采用试验和数值结果以及Terzaghi理论评价了该方法的有效性。结果表明，该方法不仅与隧道上覆平均竖向土压力的试验结果相吻合，而且也反映了圆形隧道上覆竖向应力非均匀分布的特征。
　　(3)提出了预测干砂地层深埋盾构隧道开挖面极限支护力的组合拱模型。该模型由上部端承拱、中部摩擦拱、稳定区和下部楔形体组成。推导了摩擦拱区高度计算公式，并且根据既有模型试验结果，给出了确定摩擦拱区高度的经验公式。通过与模型试验、现有理论方法和数值模拟结果对比，验证了新模型的合理性和有效性。此外，讨论了一系列参数对开挖面极限支护力的影响。结果表明，土体内摩擦角φ、刀盘与土体之间的摩擦角δ和土体体胀系数α(α＞0.04)对隧道开挖面极限支护力有显著影响。
　　(4)提出了描述地层特征曲线的复合函数模型。结合地下结构上方土拱和剪切带的发展，详细分析了地层特征曲线的特征。在此基础上，根据提出的组合拱模型和现有活动模型试验结果，确定了二维和三维工况下的模型参数。通过与室内试验结果比较，验证了模型的有效性。结果表明，该模型不仅能较好地反映全地层特征曲线的变化趋势，而且能反映最小、最终土拱比和荷载恢复指数随地下结构埋深的变化。
　　(5)以长沙地铁4号线下穿2号线工程为依托，采用现场实测和数值分析相结合的方法，研究了土压平衡盾构在富水砂层近距离穿越施工对既有双隧道变形和内力的影响。基于土拱理论详细分析和解释了既有隧道周围土压力的变化，提出了采用MJS工法桩加固由隧道开挖形成的松动区，获得了新隧道开挖引起既有隧道的横向变形、内力和扭转特性。此外，还探讨了新建隧道与既有隧道之间夹角对既有隧道变形的影响。结果表明：既有隧道沉降发展经历了四个阶段：(i)沉降，(ii)隆起，(iii)第二次沉降，(ⅳ)稳定。第二条隧道下穿引起既有隧道的沉降明显大于第一条隧道。由于斜交，既有隧道的横向变形和内力表现出明显的非对称性。参数分析表明，交叉角对既有隧道底部最大沉降影响显著，然而，既有隧道顶部的最大沉降几乎不受交叉角度的影响。