近年来,随着国内基础设施建设地蓬勃发展,铁路隧道建设的数量越来越多,而断面也越来越大,断面的增大必然会增加施工和支护的难度。因此,如何保证大断面隧道的稳定性以及支护结构的安全性是当前我们面对的重要工程难题。本文以国内最复杂的暗挖洞群车站(京张高铁八达岭地下车站)作为工程背景,重点关注隧道正线与车站大跨过渡段(简称大跨段),其跨度最大可达32.7m。面对如此大跨的隧道,有必要从各种支护手段的支护特性出发,对支护结构的承载特性进行深入研究。本文结合多种研究手段,如理论分析、现场监测、数值模拟以及统计分析,对超大跨隧道的锚杆锚索的参数优化、初期支护结构的选取以及二衬结构的极限承载特性分别进行了研究,主要取得了以下研究成果:(1)分析了椭圆形隧道开挖力学特性。基于弹性力学理论,结合复变函数和保角变换,分析了椭圆形隧道的二次应力状态下变形和应力的变化规律;对于椭圆形隧道,洞室围岩的径向应力和切应力与围岩的物理力学性质无关,影响椭圆形隧道洞周切应力的因素有三个:角度θ、侧压力系数λ、扁平率k;依据应力扁平率概念,当λ为定值,且k=1/λ时,椭圆形隧道洞室出现等压环;利用理论解析和数值模拟验证了拱顶沉降u0与扁平率k的二次关系。(2)优化了锚杆锚索支护参数。以正交试验设计作为研究手段,基于锚杆锚索协同支护原理,分析锚杆锚索长度和预应力四个影响因素的重要性,认为锚索预应力是控制围岩变形的主要影响因素,并且通过对比,得出最优的支护方案;结合杆体强度平均利用率和围岩变形规律两个指标,认为对于超大跨隧道而言,锚杆的杆体强度平均利用率较高,而锚索的平均利用率相对较低,多数支护方案没有达到协同效果。(3)对比了初期支护结构的承载特性。通过引入混凝土塑性损伤本构模型,用ABAQUS数值模拟软件分析了素混凝土、格栅钢架混凝土和型钢钢架混凝土结构的稳定性和承载特性,明确了三种结构的破坏过程,认为拱腰是最易破坏区域;在不同侧压力系数情况下,确定了三种结构的接触压力与拱顶沉降的曲线,进而分析了侧压力系数与拱顶沉降以及拱顶接触压力的关系,强调格栅钢筋和型钢钢架对于初期支护性能所发挥增强作用。(4)研究了二次衬砌结构的极限承载能力。以八达岭地下车站大跨段作为工程背景,基于结构—荷载模型,对素混凝土和钢筋混凝土的安全性进行了分析,明确了配筋在二衬结构中的增强作用;利用扩展有限元理论,以ABAQUS作为研究平台,分析了不同地应力情况下二衬结构的裂缝开展情况,总结了二衬结构破坏的原因;结合大量的统计资料,得到了大跨隧道二次衬砌结构的实际受力特点。