复合地层是隧道修建过程中经常遇到的特殊地质类型,在施工过程中极易产生围岩大变形、拱架突出、衬砌裂损、塌方等工程事故,造成工期延误、增加施工成本甚至会造成人员伤亡。因此,研究复合地层隧道开挖过程中围岩变形特征,并对其智能预测对于确保施工安全,保证施工工期尤为重要。本文依托新成昆铁路特尔莫隧道,采用理论分析、室内试验、数值模拟和机器学习方法,对特尔莫隧道非均匀变形特征及量化方法、变形影响因素和变形等级预测等方面展开了研究。研究成果如下:（1）收集特尔莫隧道实测资料,论述特尔莫隧道复合地层特征及分布情况。通过监控量测数据,分析了特尔莫隧道变形的时序特征。通过断面扫描图,与地质素描图结合,初步分析了复合地层参数对隧道整体变形的影响。改进了传统变形监测数据获取方法,针对复合地层隧道变形不均匀的特点,定义了平均变形系数ε、不均变形系数ξ、分段变形系数ζ和异常变形系数ψ四个系数,并提出一种复合地层隧道非均匀变形量化分级方法。（2）采用室内实验及数值模拟方法,研究复合地层隧道非均匀变形特征。通过室内实验,获取了特尔莫隧道围岩的物理力学性质,为数值模拟开展奠定数据基础。结合特尔莫隧道工程实际,选取复合地层倾角、占比、埋深及孔隙水压力作为变量,并对其进行分类,制定数值模拟方案,利用有限差分软件FLAC3D对不同参数下复合地层隧道开挖进行模拟,分析围岩的变形特征及各变形指标的变化规律。（3）通过数值计算,研究了不同工况下围岩的变形特征,结果显示:围岩分界线不同倾角条件下,分界线水平时围岩变形呈对称分布,倾斜地层会形成地质偏压,随着倾斜角度的增大,偏压现象越发严重。不同占比条件下,随着软岩占比增大,围岩竖向沉降及各台阶水平收敛均增大,但增长速率呈现先增大后减小的趋势,且竖向沉降受影响较水平收敛更为明显。随着埋深不断增大,围岩竖向沉降及各台阶水平收敛亦呈增大趋势,但增长速率先增大后减小。不同孔隙水压力条件下,随着水压增大,围岩竖向沉降及各台阶水平收敛均整体增大,但增长速率呈现先增大后减小的趋势,但水平收敛较竖向沉降变化更加明显。（4）以地层分界线倾角、地层占比、地应力、孔隙水压力作为输入,以各指标变形等级作为输出,建立了复合地层隧道围岩变形预测模型,并利用工程实测数据对模型准确性进行了验证。结果显示:PSO-LSSVM模型预测准确率均不低于80%,且平均变形等级、拱顶变形等级、右边墙变形等级预测精度远超出GA-BPNN模型预测精度;GA-BPNN模型精度也较高,对于异常变形系数及右拱腰变形系数的预测精度优于PSO-LSSVM模型的结果,但由于GA-BPNN存在一些局部极小化的问题,使算法陷入局部极值,导致部分结果精度偏低。