近年以来,我国城市轨道交通、高速铁路、高速公路等交通基础设施进入了大规模建设期,作为交通工程的重要载体,隧道工程的建设数量大幅增加、施工难题层出不穷,隧道设计理论已经明显滞后于工程实践。对支护与围岩作用体系的力学特点的认识深度直接决定了隧道工程设计和施工的科学性、安全性及经济性。因此,论文采用数值模拟、理论分析、室内试验和统计分析方法对开挖扰动下围岩变形的时空演化规律、隧道围岩力学响应的三维理论分析方法和支护结构体系与围岩相互作用的力学机理进行了深入研究,阐明了隧道支护与围岩作用体系的力学演化过程及其基本特点,建立了一种新的支护结构刚度确定方法。主要的研究成果包括:(1)隧道开挖扰动效应是支护与围岩作用体系力学演化的根本动力,无论地层结构特性和围岩物理力学参数如何变化,围岩变形均会经历"变形加速→急剧变形→缓慢变形→变形稳定"的四个阶段,且隧道洞周围岩变形的演化过程具有显著的自相似特性,这是由隧道开挖效应叠加的周期特性决定的。隧道拱顶围岩变形是判断围岩安全状态的基准指标,通过对侧压力系数为1的围岩变形结果的拟合分析得到了隧道拱顶围岩纵向变形曲线的计算公式。(2)将地层视为无限大或半无限大弹性体,以释放应力模拟隧道的开挖效应,分别建立深埋和浅埋圆形隧道围岩力学响应的三维分析模型,基于Mindlin解推导了围岩应力和位移的积分计算公式,编制相应的计算程序,通过与数值模拟结果的对比验证了其正确性,并分析了掌子面应力释放和洞壁应力释放对不同位置围岩径向位移和轴向位移影响的大小和范围。(3)提出广义和狭义隧道结构体系的概念,阐明各类支护结构的干预效应及其在隧道施工力学演化过程中的核心作用。初期支护是围岩荷载的主要承载结构,应用了高强钢筋的格栅混凝土复合支护结构具有高强度和大变形的力学特性,尤其适用于特殊地质和软弱围岩隧道。在扰动效应和干预效应的共同作用下,围岩变形演化仍呈现出四阶段特性。(4)基于对围岩变形演化规律和支护-围岩相互作用力学机理的研究,结合对大量隧道监测数据的统计结果,凝练出隧道支护与围岩动态作用过程的基本特点,然后基于一致性、普适性和典型性的原则将隧道掌子面、初期支护施作和二次衬砌施作确定为三个关键节点,并将隧道支护与围岩的动态作用过程划分为四个典型阶段,分别阐述各个阶段的作用特点、关键问题和控制要点。(5)基于隧道支护与围岩相互作用的基本特点和围岩力学响应分析的三维力学模型,从隧道围岩的支护需求出发,建立了一种新的支护结构刚度确定方法。基于实际工程对易用性的要求,编制了包含各分析步骤重要参数的支护结构快速设计参考表。该方法具有便捷性、开放性的特点,其计算精度将随理论研究的深入和计算技术的进步而不断提高。