随着社会快速发展,两车道、三车道公路已不能满足快速增长的交通运输需求,超大断面隧道建设逐渐增多。但国内外超大断面隧道工程案例较少,规范标准存在空白,也无成熟的工程经验可以借鉴。其中岩体质量评价是隧道工程建设中的关键问题,面对超大断面隧道等规模越来越大的地下工程,常用评价方法存在的主要问题包括:单一评价方法反映信息量少、分级未考虑工程特征、部分参数取值精确度差等。超大断面隧道工程遇到的地质条件更为复杂,施工风险高、难度大,其施工关键技术也亟需总结完善。本文以多条公路隧道、山岭管廊建设为工程背景,采用理论分析、室内试验、现场监测与数值模拟相结合的方法,对岩体质量评价方法、评价指标与围岩稳定性的相关性、结构面特性对围岩稳定性的影响及超大断面隧道设计施工进行深入研究,得到以下研究成果。(1)对国内外常用岩体质量评价方法中岩石力学特性、岩体完整性、地下水情况、初始地应力情况四项重要评价指标进行深入分析,总结各项指标定性评价及定量表征手段;基于国标修正BQ法、水电围岩分类法、南非地质力学分级法及Q系统分类法,提出了不同评价方法的归一化方法;对四种评价方法进行指标权重分析,明确了国标修正BQ法是以岩石力学指标为主要评价指标,而其他三种方法则以结构面属性为主要评价指标;基于187组现场围岩分级结果,对4种评价方法进行两两函数拟合分析其相关性,结果表明,修正BQ法与HC法呈比较明显的线性相关关系,与Q分类法呈比较明显的对数相关关系,其他方法之间存在一定相关性,但相关系数较低;鉴于单一评价方法存在的局限性,提出基于支持度函数的组合评价方法,可从多角度反映实际岩体情况,根据不同工程选择适合的岩体质量评价方法,使结果更接近真实情况。(2)基于离散元数值模拟软件UDEC,模拟隧洞开挖后岩体应力场的变化,计算四种不同隧洞跨度(20m、15m、10m、5m)条件下岩石弹性模量、岩石泊.松比、岩石内聚力、岩石内摩擦角、结构面间距、结构面内聚力、结构面摩擦角与围岩稳定性的Spearman相关系数。计算结果表明,结构面力学特性较岩石力学特性对围岩稳定性的影响程度更强;各因素在隧洞开挖跨度不同时对围岩稳定性的影响程度不同,随隧洞跨度的增加结构面影响减小,岩石物理力学参数的影响增加。基于此结果,建立了基于相关系数的国标修正BQ法尺度效应修正方法,该修正方法主要为权重系数的修正,反应了评价指标在不同隧洞跨度下对围岩稳定性的不同影响程度。(3)归纳总结了整体块状结构、块状结构、碎裂结构的变形机理及失稳模式。基于72组不同工况下的离散元数值计算结果统计得到不同组合下的失稳比例,认为围岩失稳与否在很大程度上由隧洞跨度及结构面类别共同决定。分析了《工程岩体分级标准》中岩体完整性系数与岩体体积节理数的换算方法中存在的问题,通过对120组现场数据的分析,提出两者换算公式的修正方法。(4)以国标修正BQ法为基础,提出了[BQ]S-P分级法,该分级方法是对国标修正BQ法的尺度效应及结构面类别的综合修正,同时确立了围岩级别快速判定程序,实现了围岩分级结果的客观性、准确性与真实性,保障了动态设计施工的顺利推进;明确了在围岩条件突变时设置合理过渡段的必要性,有限元数值模拟及监测结果表明,超大断面隧道开挖方式由CD法转换为台阶法设置9～10m的过渡段是合理的;通过改进压力盒布置方法实现了围岩压力的全断面监测,克服了传统围岩压力监测方法的弊端,并实现了该技术在超大断面公路隧道塌方段围岩压力监测中的应用;对超大断面隧道塌方事故进行研究,结合围岩失稳机制研究结果及现场样品室内试验结果分析得到塌方原因,采用气泡混合轻质土填充塌腔的方式进行处治,基于全断面围岩压力监测技术,摸清了此种塌方处治后支护结构受力模式,监测结果表明,塌方段围岩压力控制值仅为理论计算值的47.8%。