连拱隧道结构复杂,工序繁多,其施工过程中的围岩压力演化及荷载计算等问题,与单洞隧道有很大差异,不宜照搬现有理论及规范。面对目前理论研究滞后于工程实践的突出问题,有必要对连拱隧道分步开挖过程中围岩形成偏态自承压力拱的时空演化特征、荷载计算方法等科学问题进行深入研究。本文以黄山至衢州高速公路(浙江段)连拱隧道工程为背景,采用理论分析、室内试验和数值模拟等综合研究方法,对公路连拱隧道围岩偏态压力拱形成机制、压力拱形态演化特征、考虑偏态效应的连拱隧道荷载计算方法及富水地层流固耦合条件下连拱隧道压力拱演化特征进行了分析,主要研究工作如下:(1)通过围岩应力分析确定了连拱隧道围岩压力拱的内、外边界识别方法,结合应变能熵指标,对连拱隧道围岩压力拱几何形态、演化特征及偏态效应进行了数值计算分析,从开挖断面几何尺寸、开挖步序、围岩侧压力系数以及节理分布等方面讨论了多种工况因素对连拱隧道围岩压力拱演化特征的影响。(2)根据连拱隧道围岩压力拱几何形态,基于普氏理论和现有的连拱隧道围岩荷载计算方法,结合数值模拟和理论分析,提出了一种考虑偏态效应的分步开挖连拱隧道围岩等效荷载计算新方法,分析了应力状态、开挖工序等因素对连拱隧道偏态荷载的影响。(3)将相似材料物理模型试验与红外热辐射成像技术相结合,进行了圆柱相似模型试验及圆形隧道的红外试验,并进行了相似材料的连拱隧道分步开挖物理模型试验。从相似材料细观结构特性与隧道围岩宏观变形两方面,综合分析了连拱隧道偏态压力的动态演化特征,进而分析了相似材料的红外特性以及红外温度与应力响应的一致性。(4)考虑到地下工程多处于富水地层,因此在前面研究工作基础上,基于流固耦合分析理论,对不同埋深、不同开挖方法、不同围岩渗透系数等情况下的压力拱演化特征进行对比分析,揭示了渗流场与应力场耦合作用对压力拱分布及动态演化过程的影响,并对上述因素对富水地层连拱隧道压力拱的形状和力学特征的影响进行了参数敏感性分析。