核能已逐渐成为人类社会可持续发展中不可或缺的能源之一，而伴随着其在世界范围内的大规模利用，因此而产生的的高放废物也越来越多。所以安全可靠地对这些高放废物进行处置的问题逐渐成为最为当前面临的最为突出的挑战之一。目前公认深埋地质处置是安全处置高放废物合理可行的方法，但是鉴于高放废物地质处置库工程异于其它常规地下工程的固有特点:安全要求高、结构布局复杂、类比经验欠缺、服务周期超长等，因此必须首先建立地下实验室针对性地开展广泛地研究。目前我国已确定北山新场场址为拟建地下实验室的推荐场址，虽然我国在地下工程建设方面取得了大量研究成果，但是针对高放废物地质处置地下实验室的研究尚处在起步阶段，为了有效评价和优化地下实验室的总体建设方案，需要对北山地下实验室施工围岩稳定开展针对性的分析研究，考虑到地下实验室的特殊性，通过理论分析或者数值计算来模拟围岩的破裂过程较为困难，对整体结构安全性的模拟也不完善，而原位试验又由于成本问题而受到限制，所以为了保证地下实验室施工安全，所以必须针对性地开展真三维物理模拟试验。
　　本文依托国防科工局重大项目课题，以甘肃北山我国首座高放废物深埋地质处置地下实验室为研究背景，开展了高放废物地质处置地下实验室大型真三维物理模拟试验，在模型试验研究的基础上，应用尖点突变理论，建立了地下工程洞室群围岩失稳能量判据，提出了基于H-B准则的改进非线性强度折减分析方法。论文主要研究成果如下:
　　(1)通过模块组合、数控针阀和梯度加载技术，研制发明了智能数控真三维物理模拟试验系统，可较为真实地模拟地下洞室群的真三维非均匀分布状况，并实现了物理模拟试验中地应力加载控制的智能化、可视化和数字化。
　　(2)采用伺服电动控制和仿形开挖技术，研制发明了地下工程物理模拟试验微型TBM开挖装置，实现了对物理模拟试验不同洞形(圆形和非圆形洞室)、不同断面尺寸洞室的全断面和台阶法开挖，提高了物理模拟试验的开挖精度，减少了传统人工开挖对物理模拟试验结果的影响。
　　(3)开展了北山地下实验室大型真三维物理模拟试验，揭示了深埋围岩非线性变形特征、支护锚固效应、开挖影响范围和超载破坏规律，获得了地下实验室洞群体系的超载安全系数，有效验证了地下实验室的开挖方式、施工顺序、支护型式和地下实验室的整体安全稳定性。
　　(4)建立了基于尖点突变理论的围岩失稳能量判据，提出了基于H-B准则的改进非线性强度折减方法，据此计算获得北山地下实验室的整体安全系数，通过与物理模拟试验结果的对比分析，有效验证了该计算方法的可靠性。研究成果为优化地下实验室总体建设方案提供了理论支撑和技术指导。