随着经济社会的发展和城市化建设步伐的加快,交通拥堵已经成为制约城市和区域发展的重要因素,原有的两车道、三车道公路已经无法满足日益增长交通流量的需要,一部分山区高速公路和市区快速路的建设已经进入新的发展时期,与此对应的超大断面隧道的建设也呈现出快速增多的趋势。但是国内外超大断面公路隧道的工程实践尚不多见,既无成熟的施工建设经验可以借鉴,也无可靠的计算方法可以使用,更无设计、施工的规范和标准可参考,仅能依靠为数不多的简单的工程类比进行分析。本文针对超大断面公路隧道施工工序受力复杂、围岩稳定性判别基准不确定、荷载计算方法不明确以及支护结构和参数选取难度较大等研究现状及难题,通过理论分析、室内试验、模型试验、数值模拟以及现场试验等手段,结合济南东南二环延长线项目在建港沟隧道工程实际,深入研究了超大断面隧道施工过程中围岩空间变形和荷载释放规律,并对超大断面隧道的施工方法比选和净距优化进行了详细研究,取得了一系列具有理论价值和工程意义的研究成果,主要包括:(1)针对影响隧道围岩应力特征的净距、矢跨比、侧压力系数等因素,分别从应力集中度的角度对超大断面小净距隧道的围岩力学特征进行了分析总结。结合现有普式压力理论和公路隧道设计规范,对超大断面小净距隧道围岩压力及荷载模式进行了探讨,在考虑超大断面小净距隧道施工过程中先行洞和后行洞相互影响的前提下,分别进行了浅埋情况和深埋情况下的超大断面小净距隧道围岩压力计算方法和公式的推导。通过公式分析研究可得,超大断面小净距隧道内侧围岩与外侧围岩的压力呈不对称的偏压分布,中夹岩墙竖向围岩压力大于隧道外侧,先行洞由于受后行洞开挖扰动的影响,偏压程度较后行洞更加严重。根据该模式进行计算,可以得到更加安全合理的隧道支护结构设计参数,对类似工程的设计具有一定的借鉴意义。(2)开展了工程现场的围岩动态分级评价和点荷载试验,并对白云质灰岩开展了室内试验,既对现场施工提供了动态指导,又对模型试验和数值模拟围岩参数的选择提供了依据。借鉴以有相似材料配制经验,在"正交试验设计,敏感因素分析"的前提下,进行了流-固耦合相似材料的配制,并在模型试验中成功应用。在节省试验开支的前提下,研制了厚壁方管组合式试验台架和降雨模拟系统,构建了多元信息实时监测和采集系统。利用激光相位测量技术,融合空间动态坐标测量方法与虚拟测量技术,进行了适用于模型试验围岩变形测量的柔性点云数据测量仪的研发,实现了地质力学模型试验开挖轮廓测量的高自动化、高适应性、柔性、非接触、高效的优点,可同时将扫描路径三维正交分解,通过计算及距离测量自动获得最佳测量轨迹,可实现对多种隧道模型,多种开挖部形状的快速精密测量。针对该仪器基于MATLAB进行了后处理软件的开发,可以将柔性点云数据测量仪采集的隧道模型点云数据进行降噪、抽稀、拟合处理,再对比两次测量数据计算隧道的变形量,对隧道模型变形信息进行空间可视化的提取。(3)选取依托工程现场有代表性里程段,以此为原型开展了超大断面隧道浅埋小净距段施工过程模型试验研究和复杂地层超大断面隧道施工过程力学模型试验研究,对超大断面浅埋小净距隧道施工过程及降雨入渗对围岩空间变形的影响规律进行了研究,同时对穿越断层破碎带前后不同开挖工法施工下围岩的空间变形及荷载释放规律进行了探讨。针对模型试验所选取的工程原型施工段,开展了相应数值模拟试验研究,通过两者结果的相互验证,增加了结果的可靠度。其结果对揭示超大断面浅埋小净距隧道施工过程中围岩空间变形机制,确保该复杂地层段的施工安全,保证隧道顺利贯通提供了支撑。(4)修正了已有的摩尔-库伦屈服接近度,并基于弹塑性有限差分数值模拟,进行了超大断面小净距隧道围岩稳定性影响因素的分析和评价,对不同围岩等级的隧道给出了合理的施工方案建议。研究了超大断面小净距隧道施工力学特征,对小净距隧道围岩变形分布规律和施工的空间变形效应进行了分析和探讨,建立了超大断面小净距隧道合理净距优化准则,并提出了不同围岩级别隧道最小净距的合理取值。(5)依托四车道超大断面小净距港沟隧道,对其施工过程中围岩和支护结构体系的力学特点及规律进行了监测研究,并对其施工过程中的时空效应进行了分析总结。并据此对依托工程的小净距段支护参数和支护方案进行了优化设计,对提高施工质量及进度,确保施工安全,保证隧道的顺利贯通具有一定的指导意义。