隧道二次衬砌开裂是隧道工程中最为常见的病害,开裂衬砌对隧道结构整体安全性、稳定性以及隧道运营效果有着重要的影响。本文在总结国内外相关研究现状以及对公路隧道衬砌裂缝的统计调查分析的基础上,针对开裂衬砌结构的重要问题开展研究,根据隧道衬砌裂缝的形成及扩展过程,从开裂机理出发,结合断裂力学理论,研究开裂衬砌的力学性能,并依托招商局重庆交通科研设计院有限公司承担的交通运输部应用基础研究项目中的专项内容“病害隧道模拟试验技术及系统研发”,开展开裂衬砌结构的承载力性能模型试验,分析研究开裂衬砌结构的承载机理。本文主要进行的工作和取得的成果如下:(1)通过查阅前人的文献资料的基础上,收集了广东、云南、重庆、福建、四川、海南、浙江、西藏等地隧道检测报告进行隧道衬砌裂缝统计分析,得出衬砌裂缝出现的原因与特征;(2)对开裂衬砌结构进行数值模拟分析,采用荷载-结构法,利用ANSYS有限元软件建立断裂力学模型,对比分析研究在Ⅴ级围岩条件下裂缝出现不同部位时衬砌结构的力学特性及对结构承载能力的影响;(3)通过裂纹尖端附近的应力强度因子分析判定不同深度和宽度衬砌裂缝的稳定性,得出拱顶裂纹深度对衬砌结构稳定性系数的影响比宽度大。(4)开展开裂衬砌结构的残余承载性能模型试验,对比分析完好衬砌结构与拱顶处存在纵向裂缝的衬砌结构,分析研究开裂衬砌的承载机理以及残余承载性能。(5)在上述研究的基础上,进一步完善裂缝评价方法,评估开裂衬砌结构的稳定性及安全性,为裂缝的处治提供理论支撑。