近年来,随着高速铁路及高速公路的普及,越来越多的线路穿越黄土区,已建成的兰新、郑西等高铁修建了大量断面达到150 m~2左右的黄土隧道,黄土隧道的设计施工已成为西部交通网络不可逃避的技术难题。已建黄土隧道施工过程中曾出现不少地面沉降过大、地面裂缝宽大、渗漏水、衬砌开裂等问题,而大断面黄土隧道在施工时对土体扰动区域更大,极易产生突然性坍塌和大面积地面开裂等灾害。初期支护是保障隧道施工安全和隧道稳定的关键结构,只有在真正了解初期支护的受力机理,并有效控制其变形量的情况下,才能在确保施工质量和安全的前提下,优化施工方法,加快工程进度。因黄土强度较小,完整程度较差,本文采用荷载——结构模型作为研究基础,即把作用衬砌上的围岩压力作为外荷载加到模型上,利用结构力学理论,进行衬砌的设计计算。主要研究内容及相关结论如下:(1)系统锚杆作用机理探究系统锚杆对围岩的补强——主要研究系统锚杆对弹性抗力的贡献。以理论推导与数值模拟相结合的方法来寻找系统锚杆与弹性抗力之间作用关系,并通过现场试验进行修正、完善结果。锚杆可提高黄土弹性抗力,黄土围岩弹性模量越小时,锚杆对该围岩弹性抗力改善效果更明显。本试验段所打设系统锚杆对围岩弹性抗力有1.4倍的补强效果。当围岩条件较为破碎时,即隧洞开挖对围岩影响范围越大,相同质量的锚杆影响力度越小。在其他条件相同时增加锚杆长度或加密锚杆环向间距来提高此时围岩弹性抗力。(2)锁脚锚杆合理打设角度软弱破碎围岩变形主要以整体沉降为主,控制拱脚处下沉可显著控制黄土隧道衬砌变形。黄土隧道由于地基承载力不足,拱脚处的控制主要靠锁脚锚杆支撑。采用数值模拟的方法确定锁脚锚杆的合理打设角度,并进一步分析不同地基承载力、不同质量的锚杆对结构受力及安全性的影响。现场可根据基底承载力的不同以及对结构沉降的要求布设不同长度、不同根数的锁脚锚杆。计算锁脚锚杆角度接近80°,由于现场施工原因,竖向锁脚锚杆无法施做,所以本文选用60°为合理打设角度并以此进行计算。锁脚锚杆的作用上台阶最大,其次是中台阶,最后是下台阶,因此在上台阶施工时施做高质量锁脚锚杆对结构有决定性的影响。(3)初期支护动态受力分析本节现场测试喷射混凝土早期强度,以及围岩压力的变化,并将混凝土早期强度与钢架结合起来,确定合理的钢架形式。采用现场试验与数值模拟相结合的方法,建立混凝土强度增长曲线与围岩压力变化曲线,运用荷载结构法,得到不同时刻下的初期支护结构受力与变形,并采用极限状态设计法计算安全系数。当混凝土早期强度控制较好,且结构对沉降控制要求不大时,可选用格栅钢架支护;否则应当选择型钢钢架支护。本文通过对以上内容的研究分析,最终较为完善的讨论了黄土隧道初期支护中系统锚杆、锁脚锚杆及喷射混凝土结构,提出相应的支护参数,希望本文的研究结果对今后类似黄土隧道提供一定参考价值。