大变形是节理岩体中隧道建设常见的灾害形式之一,如果得不到及时有效的处治则可能酿成重大的工程事故。2015年4月29日,云南省晋红高速公路某隧道由于大变形处治不当,酿成了隧道塌方、人员被困的重大事故,本文正是以此为背景,对隧道开挖过程中由大变形引起的塌方问题展开了深入研究,并取得了如下创新性成果:(1)基于广义Hoek-Brown准则中岩体评价参数,通过广义Hoek-Brown准则中参数GSI、mi、D、σci、σ与等效切线方程(σn-τn)形式Hoek-Brown准则中参数A、B的转换,实现了对塌方轮廓线的快速预测,研究了不同参数对预测塌方轮廓线的影响,在此基础上,进一步推导了研究对象在复杂条件下塌方轮廓线的预测表达式;通过现场围岩评价参数计算分析可判断该隧道有很大的塌方风险。(2)通过现场调查及节理直剪试验分别获得了节理空间分布参数和力学参数,基于等效岩体技术和位移反分析法获得了岩体的弹塑性力学参数,为后续研究提供了参数依据。(3)设计了一套物理模型试验,自行制作了隧道模型开挖行走装置和围岩内部位移监测装置,结合理论推导、数值模拟等综合手段,最大程度还原模拟了隧道侵限大变形的发生发展、初衬拆除和塌方发生过程;根据试验结果可知,隧道拱顶易出现塌落灾害;变形初支更换时,两侧衬砌的拱顶和拱脚位置分别容易产生张拉破坏和剪切破坏,因此处治中需对该位置重点加固。(4)通过有限差分和离散元两种不同模拟方法相结合,实现了对大变形后隧道围岩变形及破坏基本特征的准确模拟,揭示了大变形后期围岩中应力随位移增大而增大的现象,分析了大变形过程中围岩岩块及节理的破坏情况,发现了节理的破坏范围要远大于岩块的破坏范围;在大变形处治过程中,将处治时机从最终变形的100%提早到90%更有利于隧道安全,处治工作需要在一定的时间内完成,每次处治循环距离宜为两榀钢架间的距离。本文的研究成果,已在晋红高速公路隧道建设中成功应用,取得了良好的工程效果。