由于复杂的地质和岩土条件、有限且费用不菲的场地调查和不充足的数据信息等,隧道工程中存在不可忽视的不确定性。确定性的安全系数方法可以简单地处理这些不确定性问题,但不足以描述围岩和支护结构构成的支护体系的实际可靠性。可靠度理论能够更加合理清晰地处理不确定性问题,可以作为传统方法的有效补充,在隧道工程领域也越来越受到重视。本文在前人工作的基础上,结合基于可靠度的设计计算和安全系数,从支护结构加固围岩以提高其安全稳定性的角度出发,基于收敛约束原理和临界应变,提出了围岩安全性能指标,即考虑围岩安全性能的安全系数。在此基础上,本文研究了围岩参数不确定性表征优化,隧道初期支护设计计算与试算,以及基于临界应变的围岩可靠性验算和基于约束位移的支护结构可靠性验算,形成了基于围岩安全性能指标的隧道初期支护设计计算方法。全文主要内容如下:首先,基于可靠度指标的几何意义,补充了其符号修正的判断式,并考虑岩体参数非负等特性,归纳构建了实用可靠度计算模型。结合数值计算软件内嵌的优化函数,该实用模型可简便地处理功能函数和偏导数的空间变换问题与优化搜索问题,在免去复杂繁琐的计算程序同时提高了计算收敛性,并可得到真实的可靠度指标符号。在此基础上,分别结合有限差分法和重要抽样方法,形成了精度更高的可靠度计算方法。基于上述可靠度计算方法,通过数学建模,将可靠度设计计算问题转换为非线性方程的求解问题,结合线搜索算法,形成了直接简单的可靠度设计计算方法。通过数值算例和隧道可靠度设计计算算例验证了上述可靠度设计计算方法的收敛性和精度,并考虑了外循环线搜索算法、迭代初始值以及容许误差等因素的影响。其次,以隧道支护设计计算为例,构建了全局敏感性分析的潜在设计模型,采用基于方差的全局敏感性分析方法,计算得到了不同条件下岩体输入变量的一阶敏感性和总效应指标。对该计算结果进行验证分析,结果表明全局敏感性分析可确认非敏感变量,识别敏感性变量,从而优化输入变量不确定性表征。一方面,确认非敏感性变量有助于降低可靠度设计计算和场地调查成本;另一方面,可以通过调配资源在具体场地调查中得到更详细的敏感性变量的信息,有效地提高其概率统计特征值的精度。分析结果还表明,为安全性和准确性考虑,当确认敏感性变量后,应核查目标失效概率为1%及0.1%的情况下可靠度设计计算结果是否大于其极限确定性解。然后,基于内部支护抗力,阐述了收敛约束原理,并对其框架下的隧道稳定性分析及支护设计计算的安全系数进行了探讨和研究。介绍了考虑支护结构材料性能的支护结构安全系数;并从围岩提供的内部支护抗力角度出发,将围岩安全系数定义为围岩的最大自承能力与围岩和支护结构最终稳定平衡时围岩提供的内部支护抗力之比。在此基础上,从支护结构加固围岩以提高其安全稳定性能的角度出发,采用可靠度设计计算方法得到了使‘围岩收敛应变大于临界应变的失效概率’小于目标失效概率所需的支护抗力;并从支护结构提供的最大支护抗力应大于或等于该所需支护抗力的角度出发,定义了围岩安全性能指标。基于Hoek经典软岩参数,分析了临界应变值,支护抗力变异系数,初始应力值和地层特征曲线方程对围岩安全性能指标的影响;并给出了不同目标失效概率水平等条件下相应软岩的围岩安全性能指标的参考取值表格。随后,针对地层特征曲线解未考虑岩体重度等问题,结合数值模拟计算,采用应力释放法得到了隧道洞周不同位置处地层特征曲线模拟解,作为理论解的补充和修正;并进一步考虑支护结构安装位置和支护方案,研究了基于收敛约束原理的隧道支护设计模拟计算。在此基础上,以圆形隧道为例,研究了基于围岩安全性能指标的隧道初期支护设计计算方法,主要包括:（1）计算,即基于围岩安全性能指标,结合数值模拟修正解,计算隧道上下部支护抗力设计值;（2）试算,即利用支护结构抗力和刚度理论公式等估算支护结构详细参数,并试算三倍标准差不利情况下围岩和支护结构的位移;（3）验算,即基于临界应变验算围岩可靠度指标,以及基于约束位移验算支护结构可靠度指标。最后,以罗依溪隧道马蹄形断面为例,研究了复杂条件下非圆隧道初期支护设计计算。采用全局敏感性分析方法优化筛选了输入岩体参数,并从围岩洞周收敛应变、地层特征曲线模拟解和支护方案三方面对比分析了马蹄形隧道和圆形隧道。在此基础上,利用本文方法对示例马蹄形隧道进行支护设计计算,并进一步进行了参数分析。结果表明,本文方法能够较好地满足设定的目标可靠度水平。参数分析结果表明,由于支护结构刚度等引起的可靠度指标的边际效应,当目标可靠度水平较高时,采用锚喷支护所需的成本急剧增加;建议调整支护结构的刚度,或调整一次循环进尺,以经济合理地提高围岩可靠度水平。基于圆形和马蹄形隧道算例,进一步总结了本文方法的具体步骤,形成了比较完整的基于围岩安全性能指标的隧道初期支护设计计算方法。