我国是一个多山的国家,很多隧道及地下工程都需要在岩体中修建,充分发挥围岩的自稳能力是实现地下工程建设稳定可靠、经济的方法,压力拱效应是围岩自稳能力的体现。本文以隧道围岩压力拱效应的形成原理及拱体内部的应力状态特征为出发点,主要通过数值模拟、理论分析、室内岩石力学试验等手段对压力拱效应的形成原理、演化规律、影响因素等进行了研究,主要工作和结论如下:(1)比较并确定了不同应力考察路径围岩压力拱内外边界的判定方法,以铁路客运专线单洞双线隧道为研究对象,使用有限差分软件FLAC3D模拟隧道开挖,分析不同考察路径围岩的应力分布特征,确定不同路径围岩压力拱的范围。建立三维计算模型研究了围岩压力拱效应随隧道开挖发展变化的规律,结果表明拱体发展的影响范围约为向前开挖1倍的洞跨。在此基础上,提出了围岩压力拱结构的简化模型,定义拱顶路径压力拱高度为hc、底部路径压力拱高度为hb、拱腰路径切向应力增大系数η及其最大值ηmax等参数来表征压力拱的范围及应力特征。(2)对围岩压力拱效应的影响因素进行分析,采用正交试验设计的方法,以拱顶路径压力拱高度hc为主要评价指标,比较分析围岩力学参数对压力拱效应的影响规律及影响程度,结果表明对压力拱效应影响较大的因素是黏聚力和内摩擦角。建立不同跨度、不同围岩级别、不同埋深情况下的数值模型,研究围岩压力拱效应随围岩力学参数、埋深、跨度的变化规律,在此基础上得到基于围岩压力拱理论的隧道深浅埋分界和围岩压力计算公式。(3)以单洞四线高铁隧道为工程背景,现场取样进行了三轴压缩及单轴压缩试验,基于H-B岩体强度准则及现场地质条件确定了隧道围岩力学参数。对深浅埋两种情况下大跨度隧道分部开挖围岩压力拱演化规律进行了分析,结果表明合理的支护结构可以有效地促进压力拱的形成,对拱范围的发展起到了过程控制和最终的减拱作用,比较了初支厚度对压力拱的影响,分析了两种工法开挖对压力拱限制作用的异同,双侧壁导坑法对于拱的限制作用要优于三台阶法。