随着我国交通拥堵问题的日益严峻,传统的两车道公路隧道逐渐向三车道甚至四车道等大断面方向发展,而大断面山岭隧道在软弱岩层中修建时经常遇到掌子面失稳及地表塌陷等工程问题,使得施工难度及成本大大增加,也给国家造成了巨大的经济损失。因此,为了探明导致上述工程问题的根本原因,揭示围岩失稳破坏机理,进而提出有效的防治措施,本文以长城岭隧道为工程背景,从隧道施工过程力学的角度出发,通过理论研究、数值仿真与现场监测相结合的方法,对大断面软岩隧道开挖过程中围岩的卸荷及变形空间效应进行了研究。主要研究结论如下:(1)通过对大量文献资料的总结,归纳了适合目前我国隧道建设发展现状的大断面软岩隧道定义,将开挖断面面积大于100m~2、围岩为IV级及其以下等级且具有抗压强度低、风化程度高、遇水易膨胀软化等特征的隧道称为大断面软岩隧道,并简要介绍了目前关于隧道开挖围岩卸荷及变形空间效应方面的主要研究成果,为本文的研究提供了理论基础。(2)大断面软岩隧道在开挖过程中,围岩的卸荷过程大致可总结为三个阶段,分别为荷载集中阶段、急剧卸荷阶段和卸荷稳定阶段;隧道洞周各处围岩的卸荷情况差异较大,拱顶及拱底位置卸荷程度要大于拱肩及边墙位置,围岩的破坏始于拱顶,随着卸荷程度的增大逐渐向拱肩及边墙发展,最终导致围岩整体失稳;通过正交试验等方法分析了三种因素对围岩卸荷的影响程度为围岩等级>断面大小>施工方法。(3)大断面软岩隧道的开挖不能视为简单的平面应变问题,而应建立三维分析模型,隧道开挖对围岩变形空间效应的影响范围约在掌子面距监测断面前方1倍洞径到通过监测断面后1倍洞径之间的这一段距离;围岩的变形与卸荷过程相对应,主要经历了三个阶段,即预变形阶段、急剧变形阶段和变形稳定阶段;拱顶沉降及拱底回弹变形量普遍大于边墙收敛变形,大断面软岩隧道开挖对拱顶上方的岩体扰动范围最大,这也是导致浅埋隧段地表塌陷的主要原因之一。(4)通过对依托工程进行现场监测试验,分析认为洞周围岩变形随着掌子面的推进存在一定的空间效应,在开挖通过监测断面后约0.5倍洞径范围内,围岩变形增长速率较大,其累计变形值达到总变形量的80%以上,说明此阶段围岩的应力调整最为剧烈,可根据该过程的空间影响范围适当优化超前加固等支护参数,从而防止岩体发生失稳破坏;之后随着掌子面的远离,其变化过程变为缓慢增长阶段,并最终达到稳定状态;由监测分析结果可知,拱顶沉降变形值最大,其次为拱肩,最后为边墙位置。(5)针对长城岭隧道掌子面失稳塌方原因进行了研究分析,将其归结为岩体风化严重、夹杂软弱泥层、埋深较浅及施工不当等四个方面;依据大断面隧道开挖空间影响机制的相关结论,结合现场实际情况提出了综合加固处理措施,分别为地表塌腔回填、掌子面喷浆封闭、拱顶一定范围超前预注浆加固和更改施工方案调整支护参数等,并通过对现场进行监控量测验证了加固方案的合理性,对实际工程具有一定的指导意义。