围岩参数的不确定性对隧道工程中支护结构的设计提出了严峻的挑战。这种不确定性源于地质材料在其复杂的形成及不断演变的历史过程中所产生的天然变异性（随机不确定性）,以及由于缺乏现场特定信息和测试、设计阶段所引入的误差而导致的基于认知上的不确定性（认识不确定性）。虽然认识不确定性可以通过使用保守的设计参数进行主观处理,但是由于缺乏对可变围岩响应的深入理解,上述做法可能会导致对项目成本和施工进度产生负面影响的过于保守的支护设计。基于可靠度的设计方法提供了一种考虑围岩参数不确定性的途径,其重点是量化处理围岩参数的不确定性,并将其直接反应到整个设计过程。基于可靠度的设计方法可以根据规定的极限状态计算支护结构的失效概率,从而提供一种对支护结构的性能表现进行度量的手段。此外,当考虑多个设计方案时,可靠度方法可与定量风险分析相结合,以安全性和最小成本为基础确定最优支护设计,而不是传统的主观保守设计。尽管基于可靠度的设计方法具有显著的优点,但是由于一些技术和概念上的挑战,其在岩土工程,尤其隧道工程中的应用一直相对较少,尚需深入研究。本文旨在考虑隧道围岩参数的不确定性,并尝试将基于可靠度的设计方法引入到隧道衬砌的设计实践中。同时,为隧道衬砌设计提供一种基于随机场的风险定量分析方法。本研究具体可分为以下5个部分:（1）隧道工程中的不确定性分类及处理方法针对隧道工程中的不确定性来源进行分类,并通过概率论和数理统计相关方法对不确定性进行量化处理。理解并减少和控制岩石试验、土工试验中的不确定性。（2）基于可靠度的设计方法分类及简述首先,从可接受的风险概念出发,探究岩土工程中可接受的风险等级。然后,根据对不确定性变量（如围岩属性参数）处理方式的不同,将基于可靠度的设计方法进行分类。最后,按照对极限状态函数求解方法和（或）计算精度的不同,对不同等级下的失效概率计算方法进行划分。（3）考虑围岩参数内在随机性的隧道衬砌设计研究首先,利用二级可靠度设计方法,考虑围岩参数的均值、协方差以及概率分布类型。然后,采用收敛-约束模型探究围岩参数的内在随机性对隧道及其支护结构稳定性可靠度的影响。最后,将支护结构的失效概率与支护设计（如喷射混凝土厚度的设计）联系起来,从而形成考虑围岩参数内在随机性并基于可靠度的隧道衬砌设计。（4）考虑围岩参数空间变异性的盾构隧道管片设计研究首先,利用三级可靠度设计下的随机场理论建立围岩参数的二维随机场模型。然后,将围岩参数随机场映射到隧道二维有限差分模型上,并在蒙特卡罗模拟框架下进行有限差分模拟,从而得到一组关于隧道管片结构的响应变量。最后,对计算所得的响应变量进行概率分析,并对管片结构进行基于可靠度的设计。（5）考虑条件随机场的盾构隧道管片设计研究首先,充分利用已有的地质勘探资料（如钻孔资料,岩石试验和土工试验数据等）,获取围岩属性并建立围岩属性条件随机场。然后,将围岩属性条件随机场映射到隧道二维有限差分模型上,并进行有限差分模拟,探究围岩属性特征参数（如变异系数、相关长度和互相关系数等）对隧道管片结构失效概率的影响。最后,对隧道管片结构进行基于支护强度和支护厚度的可靠度设计。研究结果表明,围岩参数的不确定性对隧道及其衬砌结构的稳定性具有重要影响。总的来说,围岩参数的不确定性程度越高,隧道及其衬砌结构的可靠度就越低,基于可靠度的衬砌结构设计就越复杂。此外,本研究提供了一种基于围岩参数随机场的隧道衬砌风险定量分析方法,并以此来评估隧道衬砌的性能表现以及对隧道衬砌进行基于可靠度的优化设计。同时,将传统的安全系数与衬砌结构的目标可靠度（或目标失效概率）联系起来,从而对隧道衬砌的失效风险形成更加直观且客观的认识。