为了隧道工程的精细化建设和高质量发展,隧道工程的设计施工应尽可能地采用可以考虑关键设计因素不确定性的可靠度方法。目前在隧道工程的可靠度分析中没有充分地考虑到岩土体材料天然存在的空间变异性,从而无法真实准确地评估隧道工程的失效风险。大多数的空间变异性研究都局限于岩土体参数空间变异性对工程失效概率的影响,对空间变异岩体的力学特性缺乏系统的研究,空间变异岩体的破坏机理尚不明确。因此本文针对上述关键科学问题,通过理论分析、数值模拟以及工程案例分析等手段,进行了空间变异岩体的破坏机理以及隧道工程可靠度分析。本文主要研究内容和成果如下:（1）采用随机场理论和有限差分软件FLAC 3D内置的FISH语言开发了高效的随机有限差分计算程序,避免了传统的随机有限差分法计算过程中产生的巨大计算代码,有效地节约了存储空间。通过文献调查和岩体结构分类,分别从岩石物理力学参数、岩体结构面参数以及岩体评价指标三个方面统计了不同种类岩体参数的波动范围,为其参数的不确定性表征提供了合理的取值参考依据。（2）基于室内小尺度岩石单轴压缩试验和Hoek-Brown理论,采用三维随机场描述了岩体在水平和竖向的空间变异性,通过自行开发的随机有限差分计算程序研究了大尺度空间变异性岩体单轴压缩力学特性和破坏机理。空间变异性岩体塑性区的扩展具有明显的方向性,塑性区朝向岩体参数空间关联性较强的方向扩展。随着波动范围的增加,岩柱单轴抗压强度和弹性模量的平均值以及标准差也逐渐增大。（3）结合随机场理论和相场法建立了可以模拟裂隙在各向异性的空间变异岩体中扩展过程的随机相场法。采用随机相场法系统地研究了裂隙在空间变异性岩体中不均匀扩展规律,以及岩体参数空间变异性对裂隙形态、裂隙中心液体压力、裂隙长度和损伤面积的影响,揭示了裂隙在空间变异岩体中的不均匀扩展机理。裂隙在空间变异性岩体中主要沿着岩体较为软弱的区域进行扩展。水平波动范围对单一水平裂隙扩展的影响大于竖向波动范围。（4）建立了考虑岩体结构面参数空间变异性的隧道拱顶楔形体失效概率的随机极限平衡方法。分析了岩体结构面参数空间变异性对隧道拱顶失效概率的影响规律,系统探讨了隧道几何参数和地质参数的不确定性对隧道拱顶楔形体失效概率的影响。考虑岩体结构面参数空间变异性时计算得到的隧道拱顶楔形体失效概率小于传统的可靠度分析中将岩体视为均质材料计算得到的失效概率。（5）采用Kriging理论和协方差矩阵分解法（逐步分解法）,提出了大尺度工程场地的三维条件随机场生成方法。将该方法成功地运用于重庆市李家坪地铁车站隧道的大尺度三维岩体参数空间变异性的表征,然后结合数值计算结果和可靠度理论分析了李家坪地铁车站隧道在开挖过程中的失效概率,揭示了在已知部分地质勘测信息条件下岩体参数的条件随机场对隧道工程失效概率的影响。基于场地的勘测信息生成的条件随机场计算得到的隧道失效概率小于传统的不考虑勘测信息生成的非条件随机场计算得到的隧道失效概率。