自上个世纪60年代日本修建了世界上第一条现代化高速铁路开始,世界各国掀起了修建高速铁路的热潮,我国在2008年顺利开通时速350km/h的京津城际高速铁路,标志着我国进入高速铁路快速发展阶段。高速铁路的迅速铺开,自然无法避免在山岭区修建大量隧道,我国目前绝大多数山岭隧道的开挖均采用钻爆法,在采用钻爆法施工时,单一的开挖工法已经很难满足隧道安全施工的要求,随着隧道赋存地质条件的变化,所采取的开挖工法也需随之转换。但是目前我国极其缺乏高速铁路隧道钻爆开挖工法转换这一方面的理论研究,这就使得不同开挖工法之间的转换具有很大的主观性与经验性,选择不当或转换不及时,容易造成施工进度延误甚至发生隧道塌方事故。因此,开展高速铁路隧道钻爆开挖工法转换控制标准方面的研究具有重要理论价值和实践指导意义。以隧道钻爆开挖工法转换控制条件为研究中心,以沪昆客运专线长昆湖南段CKTJ-IX标段23条隧道共44个工作面的实际施工工况为依托,在国内外研究现状调研分析的基础上,首先阐述钻爆开挖工法的地层适宜性,并对研究区内各种钻爆开挖工法的应用效果进行评价；然后基于统计分析理论,对现场采集不同围岩等级、不同开挖工法下的围岩变形数据进行分析,研究隧道围岩变形位移、围岩变形时间以及围岩变形距离与围岩等级的关系,建立围岩-支护体系平衡稳定的评判标准。同时,基于围岩应力重分布的基本理论,从应力大小和应力方向的角度分析围岩三维变形特征,提出不同钻爆开挖工法下的围岩三维变形模式。在此研究成果上,定义围岩位移方向角；基于地层分界面两侧不同相对围岩强度、不同相对分布长度以及不同地层分界面倾角建立三维仿真地质模型,阐述隧道穿越地层分界面时围岩位移方向角的变化规律,并建立判定掌子面前方地质条件的标准,且提出一种预测掌子面前方地质条件的新方法；最后基于工法转换的前提条件,提出工法转换的原则以及工法转换条件的判定方法,建立工法转换控制体系。在理论研究的同时,将上述研究成果完整的应用在沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道和崔家冲隧道的工法转换实践之中,以验证研究成果的正确性与可行性。论文完成的主要工作包括以下几个方面：(1)对高速隧道钻爆开挖工法进行了全面的地层适宜性评价。依据本工程区段内工程地质条件,包括隧道埋深、地层岩性、地质构造、水文地质等,主要选用全断面开挖工法、上下台阶开挖工法、弧形导坑预留核心土开挖工法、三台阶七步开挖工法以及双侧壁导坑开挖工法等进行隧道的开挖掘进。首先从开挖工序、工艺特点和适用范围三个方面对开挖工法进行了全面介绍：其次依托各种开挖工法在现场应用的实际情况,从开挖工法的可行性、安全性、工期可控性以及经济性等五个方面进行工法适宜性评价。现场应用效果说明了隧道在开挖的过程中,合适的开挖工法不仅可以保障隧道的安全掘进,而且能最大限度的保证施工工期。因此,选择适宜的开挖工法对隧道的安全、进度、效益起着至关重要作用,隧道的开挖必须综合考虑各种因素并结合隧道的工程地质条件选择最优的开挖工法。(2)基于隧道围岩变形稳定的判定依据,结合现场23条隧道大量的围岩变形监测数据,提出了围岩变形的统计分析理论,并从定量的角度建立了围岩变形与围岩等级的关系以及时间-空间效应与围岩等级的关系。结论表明：围岩稳定位移、围岩稳定时间以及围岩稳定距离均与围岩等级近似呈线性关系,即随着隧道围岩等级的提高,围岩稳定位移不断增大、围岩稳定时间和围岩稳定距离不断增长。(3)以围岩稳定位移、围岩稳定时间以及围岩稳定距离作为判定围岩-支护体系平衡稳定的指标,并基于围岩变形监测数据的统计分析对各判定指标进行了量化,提出了各判定指标的建议值。然后以判定指标的建议值建立了围岩-支护体系的稳定基准线,并根据围岩稳定基准线对隧道围岩-支护体系的稳定性进行了判定,即当隧道围岩稳定判定指标量化值在基准线下方时,可判定隧道围岩变形处于常规发展状态,可正常施工；当隧道围岩稳定判定指标量化值处于基准线上下限之间时,可判定隧道围岩变形已进入基本稳定阶段,可按正常工序组织施工,必要时采取施工措施对围岩进行加强支护,控制围岩变形的持续发展；当隧道围岩稳定判定指标量化值在上限基准线上方时,可判定隧道围岩变形还未稳定,应立即预警并加大监测频率,查明原因后才能按正常程序组织施工。(4)基于围岩应力重分布的基本理论,提出了隧道在开挖的过程中,围岩应力分布的特征区域(稳定区域、掌子面受影响区域和未受影响区域),并阐述了每个特征区域的围岩变形表现形式；利用FLAC3D数值模拟软件分别建立了全断面开挖模型、上下台阶开挖模型、弧形导坑预留核心土开挖模型、三台阶七步开挖模型以及双侧壁导坑开挖模型,共5种开挖模型,然后从围岩应力大小和应力方向的角度,分析了各种开挖工法下的隧道围岩三维变形特征,并归纳了各种开挖工法下隧道拱部及边墙的围岩三维变形规律。在围岩三维变形规律的基础上,基于围岩裂隙扩展机理,提出了不同开挖工法下的4种围岩三维变形模式,分别为全断面开挖工法产生的竖向旋转至横向围岩变形模式、上下台阶开挖工法产生的纵向旋转至竖向围岩变形模式、弧形导坑预留核心土或者三台阶七步开挖工法产生的横向旋转至纵向围岩变形模式以及双侧壁导坑开挖工法产生的三个方向旋转变形模式。(5)采取了对隧道围岩的竖向变形和纵向变形同步进行监测的手段,并提出了隧道围岩位移方向角的概念,同时阐述了隧道在开挖过程中围岩位移方向角的变化规律,即无论掌子面处于均质硬岩或者均质软质,每个断面对应的位移方向角基本上相近,其相连而成的趋势线近似为一水平线,此时称之为常规状态。当掌子面离地质分界面较近或者即将穿越地质分界面时,隧道围岩的变形受到不同岩体的作用以及地质构造的影响,使得隧道围岩位移方向角偏离其常规状态,从而致使位移方向角趋势线产生较大的起伏,或正向或负向的变化。然后从地层分界面两侧围岩不同相对强度、围岩不同相对长度以及不同地层分界面倾角3个方面出发,分别建立了隧道由硬岩地层向软岩地层掘进的三维数值模型和隧道由软岩地层向硬岩地层掘进的三维数值模型,分析隧道在穿越地层分界面时,隧道围岩的竖向变形特征、纵向变形特征以及位移方向角变化规律,其结论可作为判定掌子面前方地质条件的一种方法。(6)采用高斯多峰拟合函数对围岩位移方向角变化规律进行了量化处理,并提出了以高斯多峰拟合曲线的拐点处一阶导函数值、峰值以及半高宽作为判定隧道掌子面前方地质条件的指标；利用判定指标的量化值建立了判定隧道掌子面前方相对围岩等级、相对分布长度以及地层分界面倾角的上下限基准线,即隧道在开挖的过程中,若判定指标的量化值在上下限基准线区间内,则可根据判定标准预测掌子面前方地质条件。(7)提出了隧道开挖工法转换的两个基本前提条件：第一确保隧道已开挖段围岩-支护体系的平衡稳定；第二准确预测掌子面前方地质条件。基于两个基本前提条件,提出了隧道开挖工法转换控制的总原则,即只有当判定指标的量化值在允许建议值的区间内,才可实施相应的工法转换。(8)分别提出了围岩-支护体系平衡稳定的判定方法和隧道掌子面前方地质条件的判定方法。针对围岩-支护体系平衡稳定的判定,提出了以一元非线性回归函数建立统计回归预测模型,然后利用该模型对隧道围岩变形进行预测,最后获取指标量化值进行判定的方法；针对掌子面前方地质条件的判定,提出了基于离散Frechet距离的高斯曲线相似度算法,对围岩位移方向角的高斯拟合曲线进行识别分群,然后获取指标量化值进行判定的方法。(9)以沪昆客运专线长昆湖南段CKTJ-IX标段内的姚家隧道和崔家冲隧道为例,采用本课题的研究成果,阐述了隧道由硬岩地层向软岩地层掘进时的工法转换实践和隧道由软岩地层向硬岩地层掘进时的工法转换实践；利用现场地质调查结果、实时围岩变形监测数据、声波测试试验及室内物理试验等方法进行了工法转换效果验证,其结果证明了开挖工法转换控制条件标准具有很好的可靠性与适用性。本文的创新成果主要有：(1)基于现场大量围岩变形监测数据,采用统计分析理论,从定量的角度建立了隧道拱顶下沉位移与围岩等级的关系、隧道周边收敛位移与围岩等级的关系、时间效应与围岩等级的关系以及空间效应与围岩等级的关系。提出了以围岩稳定位移、围岩稳定时间以及围岩稳定距离作为判定隧道围岩-支护体系平衡稳定的指标,并建立了围岩-支护体系平衡稳定的判定标准,为评价隧道围岩稳定性提供了一种新的手段。(2)基于围岩三维应力变化规律,阐述了不同开挖工法下的围岩三维变形模式。提出了围岩位移方向角的概念,并从地层分界面两侧围岩不同相对强度、不同相对分布长度以及不同地层分界面倾角三个方面出发,展示并归纳了围岩位移方向角的变化规律。(3)提出了以峰值函数中的高斯多峰函数对围岩位移方向角变化规律进行量化处理,以拟合曲线的拐点处一阶导函数值、峰值点以及半高宽作为判定隧道掌子面前方围岩相对强度、相对分布长度以及地层分界面倾角的指标,并建立了掌子面前方地质条件的判定标准,给出了各判定指标建议区间,为判定隧道掌子面前方地质条件提供了一种新的方法。(4)提出了隧道开挖工法转换的原则与条件,即第一确保隧道已开挖段围岩-支护体系的平衡稳定；第二准确预测掌子面前方地质条件。只要上述两个前提条件的判定指标量化值在建议区间内,则可实施工法转换。基于围岩稳定性与超前地质预报的高铁隧道钻爆开挖工法转换控制条件标准的研究成果,为隧道钻爆开挖工法选取、转换提供了理论支撑。