软弱地层隧道施工期间易发生塌方或洞顶大幅沉降,问题多发生在上部钢拱架的拱脚支承上。为确保钢拱架在施工期间的有效承载,目前国内外已形成了一系列的拱脚沉降控制措施,它们在充分发挥各自支护作用的基础上,与钢拱架形成有效组合以共同抵抗隧道的沉降变形。这些措施在施工期间能否安全、有效承载,是设计上关注的主要问题。然而,目前在设计上仍以经验为主,其中一些措施的设计计算理论还很不成熟,甚至尚为空白,缺乏系统、深入的研究。本文主要以拱脚沉降控制措施中的锁脚锚管、钢拱架连接纵梁和临时仰拱为研究对象,采用荷载-结构法对它们的作用机理、承载特性展开研究,并完善和发展了相应的计算方法。主要研究内容如下：(1)建立了可以考虑锁脚锚管(杆)与钢拱架之间荷载传递、变形协调的联合承载计算模型。通过与锁脚锚管已有模型以及现场实测值的对比分析,研究了锁脚锚管(杆)的受力和变形特性,并讨论了钢拱架作用荷载的可能取值。(2)针对锁脚锚管合理打设角度的研究认识不统一、甚至与工程实践经验相悖的现状,利用锁脚锚管打设角度与钢拱架拱顶竖向位移的关系表达式,证明了与钢拱架联合承载作用下,若钢拱架拱脚处沿锁脚锚管轴向能够获得足够的支承反力,在上台阶拱部矢跨比不小于0.3时,锁脚锚管的合理打设角度为大于等于450,该结论与诸多现场实践结论一致。为保守考虑,上台阶拱部矢跨比为0.3时,建议打设角度取300为宜；对于矢跨比较大(如≥0.5)的拱脚和墙角,建议锁脚锚管尽量沿洞壁轮廓以大角度(≥45°)进行打设。(3)在以上工作基础上,建立了浅埋偏压隧道钢拱架-锁脚锚管的联合承载计算模型,揭示了偏压条件下锁脚锚管的受力和变形规律,并建议加强深埋侧的锁脚锚管支护,如增大该侧锁脚锚管的刚度和打设角度,可在一定程度上遏制了两侧拱脚的差异沉降。(4)针对Winkler地基梁模型的固有缺陷,建立了能够反映地基连续性的锁脚锚管的Pasternak双参数地基梁模型,并将其引入到锁脚锚管-钢拱架的联合承载分析中。通过算例和工程实例考察了不同地基反力系数和剪切刚度对锁脚锚管力学行为的影响规律,并与Winkler地基梁模型进行比较。(5)指出目前隧道拱脚沉降控制中锁脚锚管的尺寸规格存在不合理之处,不利于其支护效果和经济性。综合考虑锁脚锚管的抗剪安全系数、拱脚沉降、地基受力和钢材用量,结合工程实例对锁脚锚管原设计方案进行改进,实现了支护效果和经济性兼顾的双重目的。最后,给出了不同软弱围岩条件(Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ)下锁脚锚管(杆)支护设计参数的建议值。(6)从钢拱架拱脚地基承载力的角度出发,基于钢拱架-锁脚锚管的联合承载机制,建立了可用于锁脚锚管支护下拱脚地基承载力评价的力学计算模型,推导了无偏压和有偏压条件下钢拱架拱脚地基荷载和拱脚沉降的计算公式。在此基础上,结合算例揭示了不同设计参数对拱脚地基荷载传递的影响规律,并考察了后续施工工序对拱脚沉降的影响,得出一些有益的结论和建议,以期为指导台阶法施工、确保拱脚稳定性提供理论支持。(7)针对一般土层和严重风化、破碎、密实程度随深度变化的情况,考虑到地基系数随深度的变化更为符合实际,进行了变地基系数下锁脚锚管的受力和变形计算。采用了工程上应用较多的m法建立了锁脚锚管的微分方程,考虑到微分方程不同解法的优势,分别采用了有限差分法和幂级数法进行了求解。(8)在分析钢拱架的连接纵梁及其辅助支撑体系力学机制的基础上,分别建立了其力学计算模型,详细推导了钢拱架连接纵梁受力和变形的计算公式,并考察了施工中不同支承条件下钢拱架连接纵梁的支护表现,以期为其设计和应用提供理论依据。(9)建立了临时仰拱(横撑)的弹性地基曲梁模型。在此基础上,考虑钢拱架-临时仰拱(横撑)-地基的共同承载、协调变形,并结合临时仰拱(横撑)的具体施工工艺,分别建立钢拱架-临时仰拱(横撑)在对称荷载以及非对称荷载作用下的联合承载分析模型,并进行了整体求解计算,得到了作用于临时仰拱(横撑)端部的荷载、拱脚沉降以及地基荷载表达式,最后分析了临时仰拱(横撑)在不同影响因素下的支护表现。