隧道的施工会使围岩位移场与应力场重新生成,在开挖过程中空间效应对上述位移场与应力场的重生成有重要影响,掌握在其影响下围岩变形、应力变化规律,为合理选择施工方案提供理论基础,具有重要意义。因此本文将把施工过程中围岩荷载的释放以及施工空间效应作为主要研究内容。本文首先对隧道施工空间效应国内外研究现状进行了介绍,阐述了对隧道空间效应理论的理解;其次,深入地分析了空间效应下隧道变形力学机理;最后,结合理论分析,选取工程实例,根据隧道施工力学特性以及空间效应理论,采用有限元分析的手段动态地模拟了隧道施工的过程,得到了以下成果:(1)建立二维弹塑性模型,对深埋大跨度隧道的开挖支护进行弹塑性分析,并采用“虚拟支撑力法”实现围岩荷载的不同程度的释放,对不同荷载释放率下围岩位移、初期支护受力进行评价,掌握深埋隧道变形和应力随施工进程的变化历程。分析表明荷载不同释放程度对围岩变形以及衬砌结构受力有极大影响。(2)为了直观地研究隧道施工空间效应,建立深埋大跨度隧道三维有限元模型,以分部开挖预留核心土法为工法,动态地展示隧道施工过程。并设定某断面为目标断面,研究施工过程中目标断面的变形、应力变化规律,掌握深埋隧道围岩变形和应力随开挖进程的空间变化历程。研究表明:在一定空间范围内,不管开挖面通过目标断面与否,其向前推进的过程均会给目标断面围岩变形、应力带来影响,当开挖面正通过目标断面时,其带来的这种影响达到最大。比如,当开挖面未通过目标断面且距其仍有较大距离时,目标断面围岩开始发生变形、主应力产生变化,随二者之间距离的拉近这种改变愈加明显,并且当二者之间距离减小到零时,目标断面围岩的变形、应力急剧发展。(3)为了维护隧道围岩的稳定以及保障施工安全性,必须为该工程选定最为合理的施工方案。本文从开挖方式、下台阶长度、二次衬砌施作时机三个方面,分别建立各自对应的几种工况进行分析,同时仍然从围岩变形、应力变化以及二次衬砌受力几个角度,探讨隧道在上述三个方面因素影响下的围岩特性,综合三种因素,优选施工方案。在开挖方式的选取中,以分部开挖预留核心土法、台阶分部开挖法以及导坑法三种工法进行数值模拟,通过分析得出,在限制围岩变形方面,台阶分部开挖法与其它两种方式相比具有较大优势;在下台阶长度的选取中,建立了不同下台阶长度如2m、4m、6m、8m、10m五种工况进行分析,结果表明当下台阶长度为10m,能够较为充分地发挥围岩的空间效应、及时地形成支护封闭体系,同时不发生较大的变形;在二次支护时机的选择中,建立了二衬距下台阶0m、4m、8m、12m、16m、20m六种工况进行分析,结果表明当二次衬砌与隧道下台阶距离为20.0m时围岩并未发生较大变形,且二衬所受最大主应力较小。因此,最终选择台阶分部开挖法作为工法,选择10m作为下台阶长度,并且距隧道下台阶20m时施作二次衬砌。