随着我国西部建设的高速发展和山区高速公路建设的需要，隧道工程特别是山区高速公路隧道工程将会日益增多，隧道支护结构的设计采用传统的隧道支护结构设计方法难以充分兼顾支护结构断面的合理性和支护结构承载力与稳定性的可靠性。本文用可靠度来度量结构的可靠性能，使工程设计更趋科学、合理，更能反映问题的本质。本论文首先对湖南邵（阳）—怀（化）高速公路雪峰山隧道区初始地应力场特征进行了研究，在综合分析隧道区地应力场的现场水压致裂法测试成果、室内Kaiser效应测试成果、三孔交汇孔径变形法测试成果的基础上，通过非线性有限元仿真模拟隧道区初始地应力场的分布状态，得出的结果与实测地应力量值基本一致：隧道所在平面上的最大主应力值为16.7MPa～33.2MPa，最小主应力为0.1MPa～5.4MPa。主应力量值均具有随埋深的增大而升高的规律，但受控于岩体的力学性能与结构特征，在硬软相间部位或断层带附近，出现应力分异现象。最大主应力的最大值并不在隧道埋深最大的部位，而是略偏东，表明地质构造对主应力的分布具有较大影响，隧道区构造应力场较高。通过对隧道区初始地应力场的研究，了解了隧道施工中围岩和支护结构中的应力变化规律，为高地应力下灾害的预测与治理提供更多的依据，并为隧道结构的三维数值模拟和可靠度计算提供了较精确的边界条件。通过对雪峰山隧道区工程地质条件的研究，包括区域地质与区域稳定性、地形地貌条件、地层岩性及工程地质岩组、地质构造及其应力场演化、水文地质条件等方面，结合现场对拱顶下沉、洞周收敛、地表下沉、围岩内部变形及支护后围岩变形等情况的监测，利用FLAC^3D进行隧道的三维非线性数值分析，来考察隧道结构的空间效应所引起的变形和稳定性状况的变化，确定支护结构对于位移量控制的作用，为施工中采用合理的支护提供依据。同时，构造功能函数及各参变量分布形态，采用响应面法及蒙特卡罗法对雪峰山隧道结构进行确定性分析和可靠度研究。通过对雪峰山隧道结构的三维数值模拟及可靠度计算对比分析，以及隧道位移的监测结果，对隧道结构的稳定性进行分析，为隧道的设计者提供一些有益的意见建议，并对以后的地下工程提供借鉴，为设计和施工的可靠性提供科学根据。通过对典型区段三维非线性数值模拟研究、可靠度分析及对现有监测资料的整理分析对比，获得了较为满意的结果：雪峰山隧道的开挖基本上没有大变形发生，整个隧道的稳定性比较好。对几类围岩段所选取典型断面进行数值模拟和监测的结果都说明目前雪峰山隧道采用的支护方式是合理的，能够保证隧道围岩不发生大的位移，从而保证隧道的整体稳定性，可靠度分析中可以看出β值拱脚最大，拱腰次之，拱顶最小，与三维数值模拟结果基本一致。发生小规模塌方地段，围岩与衬砌的变形很大，原有的初始设计不能够维持围岩整体的稳定性，后采用了超前小导管注浆、变更支护参数和开挖模式的支护措施和施工方法，形成了比较稳定的承载拱，能够保证隧道围岩不发生大的位移，从而保证隧道的整体稳定性。本文所提供的可靠度分析方法可行且基本上反映了隧道结构的实际稳定状态，本次模拟分析考虑的参数及分布特征基本能满足要求，实例证明该方法效率高，实用性强，用于地下结构的可靠性分析是可行的，在类似大型复杂结构的可靠度模拟中具有推广价值。