隧道围岩参数的模糊性和随机性是一个复杂而又与实际工程紧密相关的问题,因此,有必要在室内外试验的基础上研究隧道围岩参数的取值特性,进而将岩石参数的取值不确定性转化为岩体参数的取值不确定性,为研究不同隧道埋深和岩体参数对隧道支护结构的受力和变形奠定基础。本文先探讨岩石的抗剪强度参数分析方法,根据已有的7种研究抗剪强度取值方法以及其原理用FORTRAN软件对4组工况直剪试验数据进行编程计算,得出最可能的抗剪强度参数取值或抗剪强度参数取值区间,然后结合基于地质强度指标GSI的Hoek-Brown准则与经验公式构建岩体不确定性参数区间。其次,本文通过ANSYS有限元软件构建三维隧道模型,采用“施加虚拟支撑力逐步释放法”来模拟隧道上下台阶法中各个施工过程的围岩应力释放,分析了隧道上下台阶法施工过程中各个阶段的受力与变形特点。然后,根据围岩的级别按照正交试验并结合实际情况选取多组围岩参数和多组隧道埋深代入ANSYS有限元软件中计算结果,记录在各个开挖阶段拱顶和两侧的水平与竖向位移、锚杆应力、初衬的水平应力和竖向应力、二衬衬的水平应力和竖向应力;并探讨了隧道埋深与围岩变形模量对隧道开挖后支护结构承载变形的影响规律;接着,将计算结果用MATLAB软件进行拟合,得到关于拱顶下沉和周边收敛的功能函数;分析不同埋深下围岩变形模量变化对各个开挖阶段拱顶和两侧监测值的影响趋势。最后,以龙永高速黑水塘隧道为研究对象,分析隧道结构在各个开挖阶段的受力和变形特点,将数值模拟结果与实际监控量测结果和得到的功能函数值作对比,验证数值模拟结果与分析结果的合理性与有效性。