近年来，随着我国基础交通设施的完善，浅埋超大跨隧道的需求日益增长。虽然我国已积累了大量浅埋超大跨隧道修建的工程实践经验，但是相关理论储备仍较薄弱。目前，地层拱在浅埋隧道中的支护作用机制已得到广泛认可，但是大量工程经验及试验认知表明浅埋隧道地层拱理论中的部分假设过于简单，无法满足目前隧道工程发展的要求。另一方面，对于浅埋超大跨隧道，其地层拱作用机制将更加复杂，地层拱作用下的隧道围岩压力尚不明确。
　　论文针对这一研究空缺，通过室内试验、现场试验、理论推导、数值计算等多种手段对浅埋超大跨隧道的地层拱作用机制进行了研究。本文研究内容概括性的可分为基于主应力偏转规律的浅埋隧道地层拱作用机制研究、地层渐进成拱机制研究、考虑分步施工效应及掌子面三维效应的地层组合成拱作用机制研究以及适宜于浅埋超大跨隧道的围岩压力计算方法讨论等4个主题。相较于既有地层拱理论，论文主要创新点包含：
　　(1)通过隧道开挖引起的最大主应力偏转特征改进了极限状态下的地层拱力学模型、推导了该模型作用下的隧道覆土压力；
　　(2)通过剪切面偏转的发展过程及剪切面偏转与主应力偏转之间的关系建立了地层渐进成拱力学模型，用以描述地层拱渐进发展过程中隧道覆土压力的连续变化；
　　(3)考虑分步开挖导洞引起的地层扰动在二维平面及三维空间中的时空特性，提出了分步开挖作用下地层组合成拱力学模型，分析了导洞尺寸、中导洞岩柱临时支撑作用、导洞掌子面错距等关键因素对隧道覆土压力的影响。
　　论文的研究工作及取得的主要研究成果如下：
　　(1)研究了浅埋隧道开挖引起的地层拱中应力分布规律以及主应力偏转特征。研究表明：地层拱范围内，阻碍松动围岩滑动的剪切应力在地层拱边界位置集中；最大主应力迹线呈“上凸式”切向拱形式，最大主应力与水平方向夹角在隧道中心线位置为0，在地层拱边界剪切面上为角度连续线性变化。
　　(2)从浅埋隧道开挖引起的主应力偏转规律出发对Terzaghi地层拱理论进行了改进，提出了更适用于浅埋隧道的静态地层拱作用机制。通过有限元极限分析研究了以Terzaghi地层拱理论为原型的静态地层拱模型适用背景。研究表明：改进方法下的地层拱内应力分布更符合浅埋隧道开挖后的实际应力分布；静态地层拱模型适用于极限状态下的浅埋隧道覆土压力计算，极限状态下剪切面自隧道两侧倾斜发展至隧道上方，并于隧道上方垂直发展至地表，剪切面上调用摩擦角为围岩内摩擦角。
　　(3)通过剪切面转动与主应力转动的关系建立了地层渐进成拱力学模型。研究表明：伴随浅埋隧道开挖的扰动，地层拱的渐进发展经历4个主要阶段，分别为弹性阶段、地层拱初始作用阶段、地层拱渐进发展阶段以及地层拱最终作用阶段；4个阶段对应的隧道覆土压力经历减小、最小、增长及稳定4个历程；
　　(4)提出了考虑分步施工效应及掌子面支护效应的三维地层组合成拱模型。研究表明：对于分步施工的浅埋超大跨隧道，其地层拱组合作用机制包括二维平面内及三维空间中的地层组合成拱作用；二维平面中的地层组合成拱作用受导洞尺寸、中导洞未开挖岩体临时支撑作用、围岩强度等因素共同影响；三维空间内的地层组合成拱作用主要受导洞掌子面错距影响。
　　(5)依托下北山浅埋超大跨四线高铁隧道，通过改进地层拱理论计算了隧道覆土压力。计算结果与监测数据、既有理论计算结果以及经验计算结果对比表明：Terzaghi地层拱理论及普氏理论计算值较实际值偏高，本文改进方法计算值与实测值较接近；基于Terzaghi岩体荷载分级系统及RMR岩体分级系统的围岩压力估计值偏高，基于Q系统的围岩压力估计值与实测值接近；谢氏理论计算值较实测值偏高。