我国山多地广,为了缩短两地交通时间,除了提高列车车速,还可以缩短运营距离,而修建隧道是一种缩短运营距离、提高车速的有效手段。近年来,隧道建设地形越来越复杂,隧道结构要求越来越高,需求越来越大,遇到的深埋、高地应力、高水压力、大变形、高寒、高海拔等不良工况层出不穷。隧道开挖运营过程中隧道应力、围岩分析一直以来都是隧道建设领域一个研究热点和难点。目前的研究主要集中在以监控量测数据为基础的数值模拟计算和以具体工程为背景的模型试验,而解析理论研究仅仅局限于圆形隧道方面,任意形状隧道方面的成果偏少,解析理论研究还不成熟。论文提出将任意形状隧道应力、位移问题作为新的研究方向。主要采用理论分析、数值模拟和现场数据监测等方法,针对非圆形隧道开挖、运营以及期间遇到的注浆、冻胀等问题从理论到实践进行了由浅至深的研究。主要研究内容及成果体现为:(1)引入最优化方法,求解了考虑衬砌内边界、衬砌与围岩接触边界条件的非圆形隧道映射函数,并且进一步推导了考虑衬砌内、外边界及注浆圈(或冻胀圈)边界的非圆形隧道映射函数。(2)引入复变函数理论建立了荷载—结构模式下非圆形隧道在应力边界条件下应力及位移弹性解析法。应用MATLAB计算软件求解荷载—结构模式下非圆形隧道应力及位移弹性解析算例,结果表明,复变幂级数法可以成功地解决荷载—结构模式下非圆形隧道应力及变形问题。(3)将荷载—结构模式下衬砌环状结构的有限域问题与无限域问题联系起来,推导了地层—结构模式下非圆形隧道应力及位移解析法;然后将解析解与数值模拟结果进行对比分析,评价地层—结构模式下深埋非圆形隧道应力及位移解析解的合理性和准确性。(4)基于复变函数理论对考虑注浆加固作用的深埋非圆形隧道应力及位移进行分析,首次推导了考虑注浆加固作用的深埋非圆形隧道应力及位移解析解。并利用Flac有限差分软件所得数值解对解析解校核发现,在衬砌内边界上,解析解与数值解吻合的较好,只是在隧道拱肩和拱脚两处所产生的应力集中有一定偏差;注浆后围岩提前受力,灌浆圈刚度增大、变形减小、整体性提升,改善了衬砌结构受力条件,在衬砌外边界上,解析解与数值解吻合的较好,只是在α=80°和α=120°附近法向变形有一定的偏差;在α=80°附近衬砌环向应力峰值减小约8.9%。(5)首次推导了冻胀条件下深埋非圆形隧道应力及位移解析方法,基于此方法首先推导了冻胀区域内冻胀位移边界条件。然后再将推导出的冻胀位移边界条件通过连续性边界条件分别与衬砌所表示的有限域以及围岩所表示的无限域联系起来。推导了衬砌—冻胀圈—围岩体系的深埋非圆形隧道冻胀力弹性解析解。并结合数值模拟进行了方法验证。(6)将应力释放系数引入围岩冻胀作用下的非圆形隧道应力及位移问题中。根据位移边界条件和应力释放系数重新推导了考虑围岩应力释放条件下的衬砌—冻胀圈—围岩体系的深埋非圆形隧道冻胀力弹性解析公式。深埋非圆形隧道冻胀力弹性解析解是沿隧道衬砌的不均匀冻胀解析解,这能求解以往圆形隧道冻胀解析解所不能求解的问题。(7)将考虑围岩应力释放条件下的非圆形隧道冻胀力解析解与数值分析结果进行对比分析,发现解析解与数值解吻合的较好,围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大,拱顶环向应力由1.35MPa增大至3.67MPa;拱脚处环向应力较未冻胀环向应力增大约104.3%;拱底环向应力由0.1MPa增大至2.0MPa。(8)将提出的方法应用于鹧鸪山隧道工程实例分析中发现,考虑应力释放条件更接近实际工况。虽然理论计算结果是基于弹性理论得出的,但根据冻胀的普遍规律和以往经验发现,解析计算结果与既有结论吻合的较好,符合客观实际规律,其计算结果对工程具有指导意义。