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隧道衬砌裂缝是隧道在运营期和建设期中常见的病害之一，裂缝的存在对衬砌结构的安全性和稳定性都有较大的影响，严重时会导致隧道衬砌掉块甚至塌拱，因此对隧道衬砌裂缝发展规律的研究和裂损衬砌结构的安全性分析有着非常重要的意义。本文以重庆市酉阳地区公路隧道定期检查为工程背景，选取其中某隧道为研究对象，利用颗粒离散元软件PFC对隧道衬砌发展过程进行模拟，并基于离散元细观力学和断裂力学原理，对带裂缝衬砌结构的安全性评价方法进行了研究。主要研究内容及成果如下：
1、查阅相关文献及资料，归纳总结了公路隧道衬砌裂缝成因、形式及种类。通过分析酉阳地区隧道衬砌裂缝数据得出，该地区主要裂缝类型为纵向裂缝，从纵向裂缝分布位置的数量来看，拱腰裂缝最多，约占总数量的1/2。
2、运用离散元软件PFC2D建立混凝土单轴数值试验模型，研究了离散元中各细观参数对实际弹性模量、泊松比和抗压强度等宏观参数的影响程度，为后文标定模型细观参数奠定了基础；在颗粒几何组成、细观与宏观模量比以及颗粒法切向刚度比均为定值情况下，混凝土细观强度参数与断裂强度因子以及断裂韧度成正比。
3、利用PFC2D建立离散元数值模型对衬砌裂缝发展规律进行研究，得出了当拱顶、拱肩、拱腰裂缝深度分别为3/5d、1/5d、2/5d（d为二次衬砌厚度）及以上时，裂缝处最先开始扩展。拱顶衬砌的破坏主要以裂缝贯通为主，拱肩裂缝大多数与衬砌内表面成不同程度倾角，随着裂缝发展容易造成衬砌掉块。衬砌在空洞位置处更容易产生裂缝，空洞范围越大，衬砌开裂越严重，当拱肩和拱腰衬砌背后空洞范围为40°时，空洞处衬砌容易产生大面积密集微裂纹，衬砌出现压溃式破坏。
4、结合断裂力学理论，提出基于颗粒细观力学的裂缝尖端稳定性判据，同时考虑开裂衬砌截面承载力的变化，对带裂缝衬砌结构安全性进行评价。研究了不同裂缝深度、裂缝位置、裂缝角度的衬砌截面安全系数和裂缝尖端稳定性系数的变化规律，得出裂缝位于拱肩和拱腰时，安全临界深度为1/5d，此时裂缝具有较大的扩展风险。建立了拱顶不同空洞范围的带裂缝衬砌计算模型，计算结果表明，当拱顶空洞范围为20°，拱顶裂缝安全深度范围为0~1/5d，此时空洞作用下拱顶衬砌结构依然安全且裂缝稳定；当空洞范围为30°和40°时，拱顶衬砌截面不再满足承载力要求。
1、查阅相关文献及资料，归纳总结了公路隧道衬砌裂缝成因、形式及种类。通过分析酉阳地区隧道衬砌裂缝数据得出，该地区主要裂缝类型为纵向裂缝，从纵向裂缝分布位置的数量来看，拱腰裂缝最多，约占总数量的1/2。
2、运用离散元软件PFC2D建立混凝土单轴数值试验模型，研究了离散元中各细观参数对实际弹性模量、泊松比和抗压强度等宏观参数的影响程度，为后文标定模型细观参数奠定了基础；在颗粒几何组成、细观与宏观模量比以及颗粒法切向刚度比均为定值情况下，混凝土细观强度参数与断裂强度因子以及断裂韧度成正比。
3、利用PFC2D建立离散元数值模型对衬砌裂缝发展规律进行研究，得出了当拱顶、拱肩、拱腰裂缝深度分别为3/5d、1/5d、2/5d（d为二次衬砌厚度）及以上时，裂缝处最先开始扩展。拱顶衬砌的破坏主要以裂缝贯通为主，拱肩裂缝大多数与衬砌内表面成不同程度倾角，随着裂缝发展容易造成衬砌掉块。衬砌在空洞位置处更容易产生裂缝，空洞范围越大，衬砌开裂越严重，当拱肩和拱腰衬砌背后空洞范围为40°时，空洞处衬砌容易产生大面积密集微裂纹，衬砌出现压溃式破坏。
4、结合断裂力学理论，提出基于颗粒细观力学的裂缝尖端稳定性判据，同时考虑开裂衬砌截面承载力的变化，对带裂缝衬砌结构安全性进行评价。研究了不同裂缝深度、裂缝位置、裂缝角度的衬砌截面安全系数和裂缝尖端稳定性系数的变化规律，得出裂缝位于拱肩和拱腰时，安全临界深度为1/5d，此时裂缝具有较大的扩展风险。建立了拱顶不同空洞范围的带裂缝衬砌计算模型，计算结果表明，当拱顶空洞范围为20°，拱顶裂缝安全深度范围为0~1/5d，此时空洞作用下拱顶衬砌结构依然安全且裂缝稳定；当空洞范围为30°和40°时，拱顶衬砌截面不再满足承载力要求。