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我国正处在大规模的城市隧道工程建设时期，城市地下工程在城市中承载的功能越来越重要。然而，国内外的城市地下工程建设中出现了多起安全事故，严重威胁着城市的生产和生活，甚至造成了严重的社会影响，已引起社会各界的广泛关注。最大限度的降低或避免安全事故，从本质上认识事故的演化过程和形成机制是城市地下工程发展所亟待解决的重要课题。 隧道开挖扰动引起围岩土体的不均匀变形，导致土体中荷载的传递路径发生偏离，形成土压力拱。隧道开挖后，围岩土体中的土压力拱效应显著地影响作用在隧道衬砌结构上的土压力。因此，土压力拱是隧道围岩变形与稳定性分析的核心问题，也是确定围岩压力进行隧道支护结构设计的基础。 基于隧道开挖时围岩土体中附加荷载的特点，本文以土的应力路径相关性为主线，针对土压力拱效应这一核心问题，采用数值分析方法对隧道开挖过程进行了三维有限元模拟。研究了围岩土体的变形规律与围岩稳定性，以及衬砌结构上的受力特点，取得如下创新成果: 1、围岩压力是隧道结构设计的作用荷载，国家现行规范根据隧道的埋深不同，分别给出了深埋隧道与浅埋隧道围岩压力的计算方法，因此，界限埋深是隧道结构设计的基本参数之一。从围岩土体的变形规律和应力重分布两个方面分析了隧道开挖过程中的土压力拱效应，提出了深埋隧道与浅埋隧道的划分方法，即利用洞顶土体竖向位移与隧道埋深曲线，洞顶位移达到稳定值时对应的埋深为界限埋深;当有支护结构与围岩土体相互作用时，洞顶上方地表处土体最大沉降对应的埋深作为界限埋深。通过与规范方法确定的界限埋深比较，表明本文提出方法可较好地反映隧道开挖时围岩土体变形的宏观规律，并可考虑多种因素的定量影响。 2、围岩稳定性分析是超前支护的基础，本文将三维围岩分解为横断面和纵断面分区域评价其稳定性，分别提出了围岩失效破坏模式。在横断面上，浅埋隧道为整体沉陷模式;深埋隧道为塌落模式，并形成塌落拱。在纵断面上，掌子面与洞顶土体统一分析。数值模拟时采用的土的应力路径本构模型，可以反映土的强化效应与剪胀特性，定义了剪胀区范围与施工扰动范围比的参数ξ，提出了利用参数ξ评价围岩土体稳定性的思想。当ξ大于某一控制指标ξc时，表明围岩松动区域过大而失稳破坏。成果可为隧道开挖系统方案的确定、技术措施的实施提供理论支撑。