由于隧道工程设计的经验类比性,出于保守考虑往往将二次衬砌设计得过厚,配筋过密。但是,这样的设计并不一定就能保证是偏于安全的,有时可能会适得其反。因此,有必要从复合式衬砌结构的实际受力情况出发,探索合理的设计优化方法。《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)(以下简称《铁路隧规》)中基于破损阶段法对衬砌结构进行验算,再通过工程类比引入安全系数,使构件有了总体安全度的概念。这种方法与容许应力法相比,有明显进步,但最小安全系数由经验确定,且在计算安全系数时未考虑衬砌变形和裂缝的影响,使得无法通过安全系数大小评判不同类型衬砌的优劣。针对以上问题,本文以蒙华铁路隧道复合式衬砌优化设计科研项目为依托,研究基于材料本构关系的衬砌截面极限承载力曲线(M-N曲线)和衬砌截面安全性评价方法,结合现场试验,进一步研究了评价方法的实用性。主要内容如下:(1)利用衬砌截面极限承载力曲线的概念,对《铁路隧规》中偏心受压衬砌截面承载力的计算公式和安全系数计算方法进行梳理,明确了《铁路隧规》中基于破损阶段法衬砌计算的局限性:不同种类的衬砌(钢筋混凝土衬砌和素混凝衬砌)和不同受力状况的衬砌截面(大偏心受压衬砌和小偏心受压衬砌)对最小安全系数的规定和安全系数的计算公式不一致,难以利用安全系数的比较来评价不同种类和不同受力状态的衬砌截面的优劣;另外,对钢筋混凝土衬砌截面进行检算时,承载力和裂缝宽度是分开进行的,不能统一的考虑裂缝对衬砌截面承载力的影响。(2)基于混凝土和钢筋的本构关系,分别对对称配筋、非对称配筋和素混凝土的衬砌截面极限承载力曲线,及其和衬砌截面变形开裂关系进行了研究。结果表明:对于素混凝土衬砌,当允许裂缝宽度为0.2mm时,衬砌截面能够承受的最大弯矩增加值达到极限最大弯矩增加值的65%左右;对于钢筋混凝土衬砌,当允许裂缝宽度为0.2mm时,最大弯矩增加值达到极限最大弯矩增加值的80%左右;对比素混凝土和钢筋混凝土衬砌,钢筋对于衬砌截面裂缝的发展有明显抑制作用。(3)基于衬砌截面极限承载力曲线,提出了衬砌裂缝安全性指标的概念及其计算方法。通过数值模拟和现场试验,研究蒙华铁路隧道(单线、双线和黄土隧道)在Ⅳ、Ⅴ级围岩加强初期支护条件下,二次衬砌厚度减薄以及采用素混凝土的可行性。结果表明:优化后,衬砌截面裂缝安全性指标有所提高;单线隧道、双线隧道裂和双线黄土隧道裂缝安全性指标都大于4,复合式衬砌优化方案可行。