隧道是修筑于初始状态为稳定状态的地层中的地下结构物,与一般地面结构物不同,其所承受的外界荷载不仅限于结构自重,而是主要来源于开挖扰动范围内的岩体,即隧道围岩。隧道施工过程中其结构所承受的外界荷载存在一个不断变化和释放的过程,通过对隧道施工过程中荷载释放规律的深入研究,有利于了解隧道结构的受力状态演化过程,对进一步优化施工及隧道稳定性判别具有重要的意义。因此,隧道施工过程中的荷载释放规律研究也一直是隧道施工过程力学研究的重点和热点之一。本文通过理论分析、数值模拟与室内地质力学试验相结合的研究手段,以贵广铁路天平山隧道为工程背景,对大断面隧道施工过程中的荷载变化规律进行了相关研究。首先在进行大量数值模拟算例的基础上,总结分析了不同施工方法开挖过程中隧道围岩径向应力释放规律,清晰了洞壁不同位置围岩径向应力的释放过程,并在此基础上提出了隧道断面整体荷载释放率及荷载释放差异系数的概念和计算方法,用以描述断面的整体荷载释放状态并体现同一断面不同位置围岩荷载释放过程的不同步性。其次对取自天平山隧道的炭质页岩的工程力学性质进行了针对性研究,包括其常规力学参数的测试及在单轴压缩试验中的岩石声发射特性。最后在室内试验的基础上,开展了大比尺三维地质力学模型试验,研究不同工法开挖情况下的隧道洞壁及掌子面前方的围岩压力释放过程。在模型试验过程中,研制了具有较好地相似性的炭质页岩岩体相似材料,在此基础上成功研制了初衬相似材料并应用于模型试验,妥善地解决了类似模型试验中衬砌相似材料难以与岩体相似材料紧密贴合的问题。研制了倾斜岩层填料装置,用以实现模型体与原始工程地层结构上的相似性。通过数值模拟与室内试验的综合对比分析,进一步明确了隧道施工过程中的荷载(围岩压力)释放规律,对大断面隧道台阶法开挖过程中的荷载释放特征有了更加深刻的认识。对施工优化及判定、评估隧道结构稳定性有一定的参考意义。本文的研究是在铁道部科技研究开发计划课题“隧道围岩稳定性及控制技术研究”(2009G005-C)的资助下完成的。