随着“十三五”规划和“一路一带”等重大战略的制定和实施,高速公路建设将掀起新一轮的高潮。我国是一个多山的国家,山区占到2/3以上,高原起伏,山脉连绵。为满足大力发展交通建设的需要,将修建更多的公路和铁路隧道。在隧道工程向长度更长、埋深更大、地质条件更复杂的方向发展的同时,隧道事故频发,其中又以塌方事故最为普遍。隧道工程的坍塌等工程事故,不仅延误了工期、大大提高了工程造价,而且还会给施工人员造成人身伤害甚至危及生命。开展隧道塌方预警方面的研究在施工安全、节约投资等方面具有重要意义。本文拟在收集和调研山岭隧道施工阶段塌方的类别、影响因素、前兆等特征的基础上,通过依托隧道工程实测数据分析和数理统计方法,分析隧道围岩变形规律,确定塌方预警指标的基准值。在此基础上,运用定量监测与定性现象相结合的综合方法、多目标定量决策法对洞身段塌方和掌子面塌方预警方法展开研究。基于塌方预警方法的研究,并参考工程技术人员的经验与需求,利用计算机软件工程技术,设计研发了隧道塌方预警系统,以雅康高速公路隧道为例进行了工程应用与检验。论文获得的主要认识和成果如下:(1)在塌方案例的统计工作基础上,对塌方的分类、塌方机理、影响因素、前兆进行了整理分析。基于塌方发生部位的统计结果和本文研究需求,将塌方分为洞身段塌方和掌子面塌方。其中,洞身段具备监测条件,将定量监测与定性前兆现象相结合建立综合的塌方预警方法是最直接、有效的。而掌子面没有监测条件,应紧密结合塌方的致灾因素进行塌方危险性评估。(2)隧道围岩变形规律的研究。通过对依托工程雅康高速公路隧道的稳定断面典型变形监测曲线和收集的典型塌方变形监测曲线的分析,得到围岩变形的阶段特征,并分析了不同阶段下各监测物理量的变化特征。结合典型塌方变形监测曲线的阶段特征,提出了不同类型的塌方变形过程应重点关注的预警指标。最后对依托工程雅康高速公路的15座隧道的监控量测数据进行了统计分析,得到了分布规律,并引入置信区间的概念,给出了监测断面稳定时变形量的置信区间。(3)隧道塌方预警方法的研究。基于对塌方特征、监测曲线特征的研究以及数理统计的结果,建立了以累积变形量、变形速率和变形加速度为定量指标并结合塌方前兆定性现象的洞身段塌方综合预警模型。基于对塌方致灾因素的研究,应用功效系数法的原理,针对断层破碎带、节理岩体、土质围岩分别建立了评价指标体系和对应的打分体系,得到了掌子面塌方危险性评估模型。(4)隧道塌方预警软件系统设计与研发。基于塌方预警方法的研究,参考工程技术人员的经验与需求,设计并研发了隧道施工监测与塌方动态分析预警系统,(5)隧道塌方预警软件系统的应用与检验。将隧道塌方预警软件系统应用于雅康高速公路喇叭河隧道。应用结果证明,建立的塌方预警模型具有一定的准确性和实际意义,设计的预警系统操作方便、界面友好,能够实现对塌方预警工作的快速反应。