随着我国铁路隧道的发展,隧道设计和施工理论也得到了快速的发展。新建宝鸡至兰州高速铁路是国家铁路快速客运网的重要组成部分,线路正线长度402.6公里,其中甘肃省境内357.1公里,桥隧比例为92%。而天水至兰州段正位于我国自重湿陷性黄土分布最强的地区,曲线半径较大,以Q2、Q3砂质黄土地区为主,自承能力较差,且浅埋区段较多,施工对地面的村庄影响较大,沉降难以控制,这都给施工带来了极大的难度。本论文依托新建宝鸡至兰州高速铁路的苏家川隧道和西坡隧道,通过大量国内外文献调研、现场试验、离心试验、数值模拟及力学推导等多种研究方法,对高速铁路浅埋大断面黄土隧道空间变形特性及支护作用机理进行系统深入的研究,得到以下主要研究成果：(1)在苏家川隧道浅埋段设置试验段,开展浅埋大断面黄土隧道地层空间变形规律研究。通过量测地表沉降、地层分层沉降、拱顶沉降、掌子面水平位移、洞内拱顶沉降和水平收敛,得出地层三维变形规律：地层竖向呈现整体下沉趋势,随埋深变化增加,有小幅增大；地表沉降区域较小,且衰减较慢,采用Peck经验公式拟合结果与实测规律一致,可有效预测地表沉降；水平位移相对较小,地层以竖向变形为主；洞内量测变形也以竖向为主,且前期沉降无法测得。(2)对大断面黄土隧道时空效应进行研究,采用FLAC3D数值软件对不同仰拱封闭距离和时间进行计算,并在苏家川隧道、西坡隧道现场选取仰拱封闭时间或距离相同的典型断面,分析不同仰拱封闭时间和距离对洞内变形的影响,数值计算结果与现场实测结果一致,给出仰拱封闭时间和距离的合理取值。对比分析黄土隧道开挖的时间效应和空间效应,得出空间效应较为显著,并结合现场条件给出合理支护措施。(3)分析大断面黄土隧道围岩中锚杆的受力机理,结合FLAC3D数值计算结果,用Boltzmann函数拟合围岩的径向位移,得出大断面黄土隧道拱部和边墙锚杆的内力计算公式。分别设置不同长度系统锚杆的离心试验,对比分析不同锚杆长度的作用效果,得出增加系统锚杆长度,初支和地层变形会有所减小,但幅度很小,由于系统锚杆施作会大幅增加初支封闭时间,根据施工时间效应研究结果,综合分析增加系统锚杆长度对隧道变形的控制效果不明显,建议取消系统锚杆。(4)为研究大断面黄土隧道钢架和喷砼作用机理,在西坡隧道进行现场试验,量测围岩压力、喷混凝土早期强度、初支钢架应力、喷射混凝土应力、初支与衬砌接触压力,并分析试验结果。根据隧道开挖变形弹塑解及现场围岩参数,得出围岩特征曲线,结合不同厚度喷砼支护特征曲线和钢架支护特征曲线,得出三种厚度喷射混凝土和钢架组合支护曲线和安全系数,最后给出合理支护参数。(5)分析双侧壁导坑法、CRD法、台阶法等传统工法的技术特点,对比超前预筑拱开挖技术特点,得出预切槽对围岩变形的控制效果显著。在西坡隧道现场取土,通过拱脚加固对预支护影响的离心模型试验,得出约束拱脚变形对地层变形、预筑拱结构变形和应力都有很好的控制效果,提出预切槽法在大断面黄土隧道中的应用,给出合理拱脚支护技术。