以横山铁路隧道为工程背景,结合工程实践和数值模拟,对比分析不同施工方案对隧道围岩稳定和变形的控制效果,提出合理有效的施工方法、辅助施工技术措施和施工工艺,总结形成成套关键技术。研究内容和成果主要有:(1)采用强度折减法分析了风积沙地层明洞边坡的稳定性,对明洞结构的受力变形特征进行了分析并检算了衬砌结构强度,研究结果表明:出口边坡稳定性安全系数为1.95,边坡稳定,明洞结构的最小安全系数为2.68,结构安全。(2)数值模拟隧道进洞,结果显示洞口超前大管棚+超前双层小导管对围岩变形控制效果较好,掌子面加固后,隧道最大拱顶下沉值约为8.5 mm,洞内围岩水平位移不超过5 mm,地表沉降最大值为6 mm。最终掌子面加固采用喷射混凝土封闭+Φ25玻璃纤维砂浆锚杆(6 m)的方法。现场监测数据显示,各处监测点均未超限,最大拱顶下沉值为19.7 mm,洞内最大变形值为14.89 mm,最大地表沉降量为16.8 mm,隧道安全进洞。(3)对隧道穿越岩土分界线及较陡地形进行数值模拟,结果显示超前小导管、两台阶法+临时横撑+扩大拱脚+掌子面加固施工方法可可有效控制围岩变形,保证了隧道安全施工。计算结果和现场实测数据显示:隧道穿越岩土分界线时,地表沉降与围岩变形均小于15 mm;隧道穿越较陡地形时,地表沉降与围岩变形均未超过10 mm。(4)根据国家标准及文物保护要求,结合类似工程、相关文献和设计要求,隧道下穿明长城遗址段地表沉降最大允许值为30 mm,且变形速率不大于5mm/d,局部倾斜不大于1‰;数值模拟结果显示,隧道采用洞身管棚、超前注浆小导管、两台阶临时横撑法+掌子面加固+扩大拱脚的施工方法时,下穿长城段地表最大沉降量为21 mm,局部倾斜小于1‰,符合沉降控制标准,且对地表沉降控制效果较好。隧道下穿明长城段施工时同样采用了此种工法,有效保护了长城遗址。(5)研究了进口段暗洞明做盖挖工法。计算分析了围护桩+冠梁+横撑结构稳定性及衬砌结构受力特征,对比分析围护桩的位移监测结果,计算得围护桩顶竖向与水平位移分别为4 mm、3.16 mm,实测桩顶沉降量及水平位移均未超过3 mm,围护桩受力、变形状况良好。对护拱围护结构进行结构强度检算,最小安全系数为12.21。暗洞明做盖挖工法可有效的保证隧道施工安全。解决了隧道安全出洞的难题。