隧道支护体系是保证隧道围岩稳定性的基本要求,随着新奥法的提出和应用,以调动围岩承载为核心的支护设计理念已形成广泛共识。但由于我国隧道围岩条件差异性极大,针对具体工程设计中的支护时机选择、支护参数确定以及支护可靠性评价等问题尚存在诸多困惑,使得隧道工程的定量化设计步履维艰。一般而言,隧道支护体系由作为主体的围岩和超前支护、初期支护以及二次衬砌等人工支护结构组成,而目前对于各项支护作用的机理、目标和技术标准也不确定,尚存在诸多模糊认识,造成隧道设计理论远落后于工程实践。针对上述问题,本文从隧道支护的本质特征和宗旨出发,揭示隧道支护—围岩动态相互作用全过程演化机制,明确隧道围岩的支护需求及稳定性控制原则,进而对超前支护、初期支护和二次衬砌的作用机理进行系统研究,明确各支护结构的作用特点及适应性,最后提出隧道支护体系协同作用设计方法,主要开展工作与研究成果如下:(1)建立了隧道围岩变形破坏预测方法,揭示了隧道支护与围岩相互作用的全过程演化机制。针对以往支护—围岩相互作用多针对单一支护结构而无法反映隧道施工过程力学特性的问题,建立隧道围岩工程响应的预测方法,提出围岩自承载能力的虚拟支护力表征方式,并就其衰减规律和影响因素进行分析。通过对隧道围岩实测变形全过程曲线的统计分析,揭示隧道支护—围岩作用阶段性演化机制,明确各阶段所占比例与控制重点。明确隧道支护本质作用为调动围岩承载和协助围岩承载,其中调动围岩承载效率更高,应作为隧道支护设计的基本原则。(2)建立了超前支护的变形控制作用机理模型,提出了超前支护参数的优化确定方法。由于以往超前支护仅强调其防坍塌作用而无法满足隧道安全要求,阐明超前支护的控变形作用原理,并比较不同超前支护设计理念的变形控制效率,指出周边加固相比于正面加固效率更高。进而建立隧道超前支护变形控制机理模型,按照围岩塑性区的分布划分为不同分析工况,推导隧道围岩变形和塑性区半径的计算公式。在此基础上,对加固参数进行敏感性分析,并结合隧道围岩变形规律提出超前支护环向参数的优化确定方法和纵向范围的建议值。(3)明确了隧道初期支护的主承载作用,建立了隧道初期支护体系协同设计方法和评价体系。将隧道初期支护按其作用机制划分为锚固体系和表层初期支护,分别建立支护—围岩耦合作用机理模型,并对其进行全过程解析,阐明锚固体系的协同作用原理,据此分析不同支护方式的作用效果、适应性及其影响因素,提出支护选型和合理支护时机的确定方法。进一步将锚固体系视为对围岩的改良,建立隧道初期支护体系协同设计方法,并提出以围岩变形和协同度为指标的评价体系,实现初期支护的定量设计。(4)揭示了隧道复合支护结构协同作用机理,提出了二次衬砌安全储备系数的计算方法。明确二次衬砌作为安全储备的内涵和实现方式,建立复合支护结构与围岩相互作用模型并进行解析,得到复合支护结构不同空间位置处的受力、变形以及荷载分担比,并基于隧道长期安全提出复合支护结构有效协同作用的评价方法。进一步构建支护结构承载能力曲线,提出支护结构安全储备系数计算方法,为隧道服役安全提供保障。(5)阐明了隧道支护体系协同作用原理,建立了基于多目标优化的支护结构体系协同设计方法。基于隧道支护—围岩相互作用演化机制,将协同学原理引入隧道支护设计,构建隧道围岩协同支护系统,阐明该系统的组成部分、基本特征与研究层次。在此基础上,进一步分析隧道支护体系的协同作用机理,以围岩变形、支护受力和支护成本为设计目标,建立基于分组加权的目标函数隶属度表征方法,据此提出隧道支护体系协同优化设计方法,并在实际工程中进行应用。