本文以颗粒物堆体为复杂系统的简化模型,在几种不同条件下分别进行了堆体实验,从而详细地阐述了堆体的演化机制和坍塌机制。由此基础上,研究了复杂系统的演化机制及其灾变机制及安全控制。利用复杂系统的理论针对施工隧道工程中一些施工方法进行了解释说明,提出了施工隧道工程的灾害因素和针对灾害因素的安全控制。主要工作及研究成果如下:(1)从物质能量的输入输出、内部结构、边界条件三个方面进行颗粒物的堆体实验,并分析这三个方面堆体实验结果的基础上,我们认为,在外界物质和能量持续输入的情况下,一系列颗粒物堆体等广延耗散动力系统会向输入与输出的平衡状态演化,而向临界状态演化仅仅是一种特殊形式。(2)影响广延耗散动力系统演化的主要因素由原来的结构、所处的状态及外界扰动的强度延伸为堆体系统中物质能量的输入输出、内部结构和边界条件三个因素。(3)由于物质能量的输入输出、内部结构、边界条件的不同,以及三者在空间上和时间上的不同组合,这种向平衡状态演化的过程常常会被打破,系统又在新的基础上又向新的平衡状态演化。广延耗散动力系统演化的动力学过程总是表现为不平衡-局部平衡-整体平衡-不平衡的不断循环往复的过程。平衡是暂时的、相对的,不平衡是绝对的、无条件的。向平衡态演化规律符合能量守恒定律和物质不灭定律,符合矛盾运动规律。(4)从物质能量输入输出、内部结构及边界条件三个方面去分别探究了堆体的坍塌机制,得出结论我们进一步认为,要进行堆体坍塌规模、坍塌时间和坍塌的地点确定性预报都是十分困难;若要对自然界中类似于堆体坍塌进行确定性预报实现的可能性接近于零。(5)在以上大量的工作基础上,将此研究成果首次运用于解释说明施工隧道这种容易发生灾变的复杂系统中,并从物质能量的输入输出、内部结构及边界条件三个方面去解释一些施工方法,进而为隧道施工的安全施工提供一定的指导。