隧道断面位于上部为软弱地层、下部为坚硬地层和软硬分界结构面构成的复杂组合地层中,容易引发地表塌陷、围岩失稳和支护结构破坏等工程灾害,目前缺乏这类隧道的设计方法,理论研究严重滞后于工程实践需要,围岩分级方法是该类隧道设计、施工与运营安全的理论基础。本文依托国家自然科学基金面上项目,运用相关基础理论、数值模拟与工程实际相结合的综合研究手段,紧密结合上软下硬地层特点和施工过程,研究提出了基于安全系数指标的上软下硬地层隧道围岩量化分级方法。为上软下硬地层隧道的设计、施工、维护和灾害防治提供理论基础和科学方法,对丰富和发展我国隧道工程理论体系具有一定的科学意义和现实意义。本文研究的主要内容及所取得的研究成果总结为以下几点:(1)统计分析了目前国内外针对匀质地层常用的围岩分级方法和分级指标,指出传统的分级方法和分级指标在上软下硬这类特殊的地层中应用时存在的不足,并在此基础上提出可以考虑地质因素和工程因素(如隧道跨度、高跨比、埋深等)且具有严格理论意义和实际意义的上软下硬地层隧道围岩量化分级指标——无衬砌情况下围岩的最小稳定安全系数。(2)采用MIDAS/GTS有限元软件,借助有限元数值分析理论和强度折减法研究并提出了基于安全系数的匀质地层隧道围岩量化分级标准,并针对匀质地层及上软下硬地层隧道破坏演化规律进行了一定的研究和分析,发现两种地层结果有着相似的规律:浅埋时埋深越大围岩稳定性越差,深埋时围岩自稳能力与埋深关系不大。(3)研究不同地层组合隧道在软硬地层分界面位置变化时的围岩自稳情况,发现隧道开挖部位不同时其安全系数也不同,围岩自稳曲线呈现五个变化阶段,分界面对围岩稳定性的影响只与隧道跨度有关,与埋深无关,以此得出上软下硬地层隧道围岩量化分级的理论标准。(4)针对上软地层、分界面位置、下硬地层的组合关系,建立了上软下硬地层隧道围岩量化分级方法,并将研究成果在福州地铁1号线矿山法隧道中进行案例应用。通过工程实例验证,表明了本文提出的上软下硬地层隧道围岩量化分级方法的可靠性和实用性。