在自然界广泛分布的岩浆岩、沉积岩与变质岩这三大类岩石中,沉积岩与变质岩大多具有各向异性的特征。岩石的各向异性是指岩石材料的物理特性、结构特征、应力应变关系等随着方向的不同而有所差异的性质。随着我国隧道工程的建设朝着长、大、深埋方向发展,岩石的各向异性特征对围岩稳定性与衬砌结构的长期安全性的影响更加显著。因此,有必要对该问题进行深入的研究。论文以汶马高速公路鹧鸪山隧道为工程背景,采用室内试验、数值模拟、理论分析等手段,对千枚岩宏细观各向异性力学特征进行了深入研究。在此基础上,建立了考虑结构劣化及围岩流变效应的衬砌结构安全性分析模型,取得的主要成果如下:(1)通过对岩样进行三轴压缩试验、巴西劈裂试验以及单轴压缩流变试验,得到了岩样的宏观破坏力学特征。在试验过程中,借助声发射、高速摄像等测试方法,从细观角度探明了岩样的破坏演化过程。同时,采用电镜扫描、三维激光扫描等测试手段,揭示了岩样的细观破坏机理。(2)基于颗粒离散元理论,建立了能反映岩石拉压各向异性力学特征的数值计算模型;在此基础上,引入伯格斯损伤模型,得到了能表征岩石流变各向异性特征以及能反映岩石加速流变特征的流变数值模型。(3)基于理论推导,得到了点锚式锚杆作用下横观各向同性深埋隧道弹塑性解,分析了各向异性参数对围岩形变的影响;鉴于理论推导的局限性,采用块体离散元软件,对岩体不同倾角与倾向条件下隧道开挖后围岩的力学响应进行了系统研究,提出了锚杆优化布置的思路。(4)基于有限差分理论,将非线性流变元件引入元件组合模型中,同时引入岩石各向异性本构模型,提出了一个能描述岩石各向异性特征的非线性黏弹塑性流变本构模型。(5)基于钢筋锈蚀理论,推导了锚杆锈断力学模型及钢拱架锈蚀力学模型,并通过二次开发嵌入到现有的计算软件中。同时,基于壳-接头计算模型,分析了二次衬砌带裂纹工作条件下的结构安全性,并通过现场测试验证了模型的有效性。在此基础上,建立了考虑结构劣化及围岩流变效应的衬砌结构安全性分析模型,研究了隧道结构不同位置的安全系数与隧道轴线同岩石层理面夹角的关系,并探明了二衬裂损程度对结构安全性的影响。