近年来，国内外隧道原位扩建工程日益增多。隧道原位扩建工程大多呈现出断面特大、净距超小、扁平率极低等特点，且往往须先拆除既有衬砌，再进行围岩开挖、衬砌施作等工序，易导致结构承载力降低，围岩变形过大，诱发塌方事故。较之于新建隧道，隧道原位扩建开挖导致的围岩变形及地表沉降更为复杂，如何对其进行合理预测仍是一个十分突出且尚未解决的问题。本文以国内外罕见的大帽山隧道原位2扩4工程为研究背景，通过解析求解、数值模拟、经验公式等3种方法提出隧道原位扩建围岩变形与地表沉降预测方法，对隧道原位扩建工程围岩变形及地表沉降变形规律、卸荷效应下围岩变形及力学特性、围岩力学参数对地表沉降的敏感性进行了系统的研究，对保证类似工程围岩稳定性具有重要的参考价值。主要工作及成果如下：1、采用等代圆、复变函数理论及Schwarz交替法获得非圆隧道单侧扩建形式下的围岩应力及位移的理论解。据此以大帽山隧道原位2扩4工程为例探讨隧道最优扩挖宽度。2、基于卸荷理论提出并建立隧道围岩扰动分区（强卸荷扰动区、弱卸荷扰动区及未扰动区）开挖卸荷的计算方法。3、采用APDL语言编程，将卸荷计算各步骤嵌入ANSYS通用有限元软件，实现卸荷效应下的隧道原位扩建三维数值模拟。4、以实测数据为据，分析卸荷效应下大帽山隧道原位2扩4工程CD工法下围岩力学及变形特性，围岩强卸荷扰动区、弱卸荷扰动区的分布规律。5、2扩4隧道对已建4车道隧道结构变形影响为：4车道隧道左侧围岩处于卸荷扰动区范围内，左侧变形较右侧大，隧道断面呈现明显的偏压。6、围岩力学参数对隧道原位扩建地表沉降的敏感程度为： E c。7、采用Peck公式、叠加原理提出扩建隧道地表沉降的简便预测公式，并验证函数关系式的适用性。