塌方是因地层结构不良、地下水、雨水冲刷、施工不当等诸多因素所导致隧道的顶部出现突然坍塌的现象。隧道施工中,塌方将直接导致工期延误、设备损毁,造成严重的经济损失,甚至造成重大人员伤亡。因此,本文以张石高速岳家沟隧道为研究对象,针对其特殊的塌方特征,运用可分析大变形理论的离散元软件3DEC进行三维数值模拟。通过模拟掌子面向前推进过程中围岩参数不断弱化的过程,得到岳家沟隧道围岩及支护结构的变形破坏特征,并针对围岩大变形塌方破坏提出了相应的失稳判据。论文主要工作如下:(1)通过岳家沟隧道RK74+010、RK75+360、RK75+880三处塌方断面揭露真实围岩情况与隧道掌子面超前地质预报结果相对比,得出以下结论:地质超前预报只能预测掌子面前方一段距离的围岩状况,并不能预测到隧道上方围岩的情况,由于隧道在施工过程中具有隐蔽性、作业空间狭窄、地质条件不确定等特点,导致当隧道上方围岩存在软弱破碎层,而在掌子面开挖揭露前,施工人员很难发现并对已开挖的存在隐藏破碎层的围岩提高相应的支护措施,从而随着掌子面向前推进,破碎围岩发生渐进性劣化破坏,最终围岩整体发生塌方破坏。(2)针对三处塌方区段围岩在开挖过程中不断劣化的特征,采用离散元软件3DEC进行数值模拟。通过分析围岩及支护结构的变形破坏特征得出:随着参数的弱化,围岩的变形破坏表现出了较为明显的三个阶段,即:初期围岩整体变形阶段、中期围岩内部节理裂隙贯通阶段、后期关键块体掉落形成塌方阶段;而工程中支护结构具有一定的富余强度,在围岩劣化前期,支护结构也能满足强度要求,但随着围岩参数的不断弱化,支护结构仍会由于不足以支撑上部围岩变形而发生破坏。(3)为预测隧道大变形失稳破坏,提出了修正的应力强度比法的应力判据,即,采用隧道横断面大主应力和岩体强度的比值进行预测,建议采用完整性系数法和Hoek-Brown经验强度准则公式估算岩体强度,更符合工程实际情况。针对不同的围岩等级,给出了不同的应力强度比指标,当隧道开挖过程中实测值超过对应指标时,即可判定围岩有失稳趋势。(4)采用参数弱化的方法进行3DEC数值模拟,从而找出隧道围岩失稳临界状态时的围岩参数,以该围岩条件下的隧道周边位移作为围岩变形的极限状态。通过计算得出,当隧道围岩参数弱化65%时,围岩稳定性发生突变,进入节理裂隙贯通阶段。以此时围岩变形状态为基准,运用当前工程界普遍使用的三级管理机制对隧道围岩变形控制基准进行分级,建立了不同围岩等级、不同埋深情况下的隧道围岩变形控制基准。