随着当今世界能源事业的发展,核能作为一种优质的清洁能源,作为缓和世界能源危机的一种经济有效的措施越来越被认可。将高放废物进行深埋地质处置已经被越来越多的国家所接受,并且被证明是技术可行,经济合理。高放废物地质处置库工程施工建设挑战巨大,对其地下结构安全等级和可靠性要求很高,这些特点决定了其在工程施工和长期运营安全方面存在极大的工程难度。高放废物地质处置地下实验室需要在建设高放废物废物地质处置库之前先建立,用于了解深部地质环境和地应力状况,为处置库建设提供前期的基础科研资料和理论实践经验。地下实验室作为高放废物地质处置的关键设施和前期工程,必不可少,极其重要。研究地下实验室洞室群施工开挖过程中的围岩稳定和整体安全,显得至关重要。地下实验室洞室群洞群结构复杂、交叉洞室多,仅仅依靠理论分析和数值分析难以全面反映洞室群施工开挖的围岩影响。本文以甘肃北山高放废物地质处置库地下实验室施工建设为工程背景,开展了高放废物地质处置地下实验室开挖与支护相似模拟的三维地质力学模型试验,优化地下实验室建设方案,为地下实验室施工建设提供合理的建议。本文的研究成果如下:(1)以高放废物处置库地下实验室建设为背景,根据甘肃北山花岗岩围岩介质的物理力学参数,进行材料配比及室内力学试验,研制出基本满足北山花岗岩岩性相似要求的围岩相似材料和满足现场锚固支护相似要求的锚杆相似材料。(2)按照地下实验室设计开挖工况,以所研制的相似材料和研制的超高压真三维加载模型试验系统为基础,进行地下实验室洞室群施工开挖与支护的三维地质力学模型试验,获得开挖过程中围岩位移和应力的变化规律,获得洞室开挖扰动范围和洞群开挖相互影响规律,为地下实验室的施工提供了指导。(3)对分步开挖完成后的地下实验室进行了整体超载模型试验,观察到洞室围岩在超载过程中的变形、破坏形态和破坏过程,获取超载破坏规律及超载安全系数。(4)按照地下实验室停车场I、停车场II和主巷道的模型试验中的开挖工况,采用数值模拟进行计算分析,揭示了地下实验室洞室群开挖过程中的位移和应力变化规律,相同监测位置的数值分析结果与试验结果规律基本一致。(5)通过强度折减法对开挖完成的洞室群进行了围岩稳定性数值模拟分析,获得了洞室群的位移和塑性区变化规律,与超载试验获得安全系数进行对比分析,获取更精确的洞室群围岩稳定安全系数。