本文依托铁道部重大科研项目《吕梁山区三趾马红土隧道综合技术研究》,在归纳、总结前人研究成果的基础上,通过现场取样、室内与现场试验、理论分析与计算、现场监测、数值模拟等研究手段,对石楼三趾马红土隧道的围岩分级与稳定性进行了探讨,取得的主要成果如下：首先,在对区域环境地质条件分析的基础上,利用先进的土工测试手段(扫描电镜、粒度分析、能谱分析、静三轴试验、蠕变试验、室内外大剪试验等),从三趾马红土的物质成分、微观结构、物理性质、静力力学与变形性质、水理性质等方面入手,对三趾马红土的工程特性进行了系统、深入的分析。结果表明：三趾马红土结构强度很高,粘聚力很大；影响三趾马红土强度的主要因素包括结核、裂隙和水；三趾马红土蠕变特性在高应力水平下才能表现出来,低应力水平时可忽略不计。其次,基于可拓学理论与熵权法,选取重度、粘聚力、内摩擦角、变形模量、地下水状态等5个评价因子,建立了石楼隧道围岩质量分级可拓评价模型,并与现场围岩判定结果进行了比较分析。结果表明：石楼隧道18个掌子面中13个掌子面的围岩质量等级可拓评价结果与工程地质勘查报告中所述的现场围岩分级结果一致,准确率达到72.2%,分级结果较好。再次,对石楼隧道围岩稳定性影响因素进行了剖析,探讨了石楼隧道的围岩破坏机制,并基于现场监测结果对围岩变形特征进行了分析。结果表明：石楼隧道围岩稳定性影响因素主要包括围岩压力、围岩的力学性质、岩土体结构、地下水状态、施工设计与时间等；石楼隧道围岩破坏机制主要表现为塑性流动、弯曲内鼓和塑性楔体挤出；三趾马红土围岩拱顶沉降大于水平收敛,围岩应力整体较高,呈“上大下小”的趋势,经过60天围岩应力基本趋于稳定,围岩含水率、孔隙水压力均随时间的持续而增大,随着围岩含水率逐渐趋于饱和,孔隙水压力逐渐趋于稳定。最后,利用地下工程通用有限元软件Midas/GTS建立了二维、三维隧道有限元分析模型,分别对考虑与不考虑渗流—应力耦合工况的三趾马红土隧道施工过程中围岩与支护结构之间复杂的力学行为(渗流场、应力场、锚杆轴力、初支弯矩)及其变形规律(位移场、塑性区)进行了对比分析。结果表明：考虑渗流——应力耦合工况下三趾马红土围岩的有效应力、锚杆轴力、初支弯矩、拱顶沉降、水平收敛及塑性区分布较不考虑渗流——应力耦合工况均有一定程度的增大,说明地下水渗流是诱发三趾马红土围岩失稳的主导因素,施工过程中应加强拱顶、拱脚的支护,并及时排出隧底的积水。