由于矿物构成、沉积条件、应力历史以及其它地质作用的差异,地层中岩土体力学性质的空间变异性总是客观存在的,且这一性质会直接影响到隧道开挖后围岩的力学响应,也会对隧道设计中支护荷载计算、地层变形预测以及安全控制对策产生明显影响。目前隧道结构普遍采用以经验为主的工程类比和确定性验算设计方法,这使得相关分析过程忽视了围岩的空间变异性。对于高速铁路隧道,由于高速列车的空气动力学效应,其设计断面一般较大,而在大断面隧道的开挖过程中,围岩的空间变异性表现得尤为突出,其对围岩力学特性的影响也将愈加明显。如果在隧道建设过程中忽略该特性,有时会得出不合理甚至矛盾的结果,从而降低安全储备甚至危及工程安全。因此,为了解决上述问题,需要对围岩参数空间变异性的力学响应及其工程影响开展研究工作。本文围绕高速铁路隧道围岩力学性质的空间变异性展开了系统性的研究。首先,对围岩力学性质的空间变异性进行模型化描述,在此基础上结合地勘数据进行优化建模;其次,对空间变异性条件下隧道开挖后围岩的力学响应进行了研究;在支护结构方面,围绕隧道建设与运营阶段,对支护结构受围岩荷载空间变异性及其本身抗力随机性影响下的力学特性进行研究;最后,为解决“支护-围岩”体系不确定性的工程响应,提出了隧道工程稳健性设计方法,建立稳健性数学模型并进行相关工程应用。主要研究工作和研究成果如下:(1)围岩不确定性的随机模拟方法从工程尺度方面,对围岩的不确定性进行分类描述,并针对分类结果进行模型化表征。在随机场理论的基本框架下,采用谱分解方法中的Karhunen-Loeve级数展开方法,实现了围岩参数空间变异性的高效模拟。并在此基础上,将随机场的模拟和地质统计理论的Kriging插值法有机结合,提出结合地勘数据的约束随机场生成方法。最后通过设计与FLAC3D的接口程序,建立了围岩参数空间变异性的非侵入式随机有限差分分析模型。(2)围岩参数空间变异性的力学响应分析利用非侵入式随机有限差分分析模型,研究了围岩参数空间变异性的两个基本要素:参数变异性与空间相关性对隧道开挖后拱顶沉降、水平收敛、地表沉降以及拉/剪塑性区等围岩力学响应的影响效果。在此基础上,提出了空间变异性条件下围岩力学响应的四种典型工程影响效应,即:围岩结构性低强度荷载占优效应、围岩结构空间相关各向异性效应、功能函数敏感性差异效应及非线性效应和功能函数转变分布类型效应。(3)空间变异性条件下支护结构随机力学分析为研究围岩参数空间变异性影响下的支护设计需求,针对隧道工程建设与运营阶段,对支护结构受围岩荷载空间变异性及其自身抗力随机性作用下的力学响应特性和断裂破坏特性进行了研究。针对建设阶段支护结构的受力问题,建立了考虑多参数空间变异性的非线性地基梁单元模型,并以时速350km高速铁路双线隧道Ⅲa与Ⅴa支护结构为例,分析了围岩荷载与被动反力效应的空间变异性以及衬砌厚度的随机性对支护结构力学响应的作用效果,并与确定性模型的计算结果进行了比较。针对运营阶段支护结构衬砌裂缝问题,建立了衬砌结构三阶段断裂随机模型,进而系统地分析了围岩荷载空间变异性和断裂韧度随机性对不同时速、不同围岩等级条件下的高速铁路单/双线隧道支护结构断裂破坏特性的影响。(4)隧道工程稳健性设计方法研究针对“支护-围岩”体系不确定性的工程响应,建立了三种稳健性设计数学模型,并结合高速铁路隧道的工程特点,提出了四类稳健性设计的工程应用方向。对于“结合基础资料的精细化分析”稳健性设计应用方向,建立基于实际地质条件的隧道施工精细化分析模型,并将其应用于贵广高铁贺街隧道的施工模拟中。对于“高置信度时间序列参量预测”稳健性设计应用方向,建立了围岩变形非线性自回归时间序列预测模型,并将其应用于京张高铁新八达岭隧道的围岩拱顶沉降短期预测中。对于“降低’支护-围岩’体系不确定性的影响”稳健性设计应用方向,对超前加固的稳健性效应及其影响因素敏感性进行了针对性的分析。通过对上述关键问题的综合分析,力求推进高速铁路隧道结构设计由过度经验化转向稳健性、科学化、规范化的发展方向,同时为我国高速铁路隧道的快速发展提供理论支撑与技术依据。