随着国内轨道交通建设工程大规模扩展,伴随而来的隧道结构病害问题不断显现,其中地铁衬砌结构病害造成的运营隧道安全隐患是一个不可忽视的问题。目前国内学者在地铁衬砌结构安全状态评价领域的研究较少,特别是地铁衬砌结构安全状态分级这方面的研究需不断加深完善。本文基于北京地铁隧道病害现场检测资料,研究地铁衬砌病害分布及扩展规律;根据统计分析结果,设计出隧道三维加载装置对裂损模型进行加载实验,构建了衬砌结构安全状态评价体系,并从前期预防抑制裂缝扩展及后期修补加固裂缝两方面探讨了裂缝治理方法。取得的主要研究成果如下:(1)通过对北京地铁6条病害多发的典型线路的病害调研,研究结果表明地铁病害形式以衬砌开裂为主,接下来依次为渗漏水、隧道脱空、道床翻浆冒泥和管片开裂错台。选取4个代表性区间进行专项统计,研究分析各个区间衬砌结构裂缝的扩展分布规律及裂缝几何性状特征,为接下来的模型实验工况的确定提供参考依据。对比统计结果发现随着地铁隧道运营年限累积,衬砌结构的裂损程度和裂缝宽度的离散性不断增大。(2)设计研发出相似比为1:10的模型实验,并参照实际工程参数定制出三维模型加载台架,调配出隧道衬砌相应的相似材料,最终形成了一套模型加载实验方法。基于衬砌病害统计分析结果,选定出:完整衬砌结构、不同走向的单预制裂缝结构、不同部位的单预制裂缝结构、不同交叉角度的双预制裂缝结构以及不同部位组合的双预制裂缝结构5组共14个常见裂缝形式的模型加载实验工况。(3)通过模型分级加载实验,揭示了完好衬砌结构模型竖向及水平收敛变形规律,并得出衬砌结构裂缝分布及发育扩展规律。对于单预制裂缝的隧道而言:预制裂缝走向对结构承载能力影响程度由大到小依次为:纵向、斜向、环向;预制裂缝分布部位对结构承载能力影响程度由大到小依次为:拱顶、拱脚、拱腰、拱肩。衬砌裂缝的几何尺寸对隧道结构的承载能力影响最大,其次是衬砌裂缝走向及衬砌裂缝布置部位。(4)对于双预制裂缝的隧道而言,双裂缝对衬砌结构承载能力的影响比单预制裂缝更大,但其承载能力损失值并不是对应的两个单预制裂缝结构承载能力损失值简单的代数叠加。双预制裂缝布置部位的组合形式对最终承载能力的影响大于双裂缝交叉角度的影响。(5)基于模型加载实验所得出的隧道结构变形规律、结构受力及破坏特征,构建了衬砌结构安全评价体系。并基于模糊数学理论采用层次分析法进行计算,得到损伤结构承载能力折减系数,从而确定出裂损结构的损伤级别,达到安全评价分级的目的。依据此分级方法对北京地铁某区间段进行损伤级别评定。(6)研究分析衬砌裂损特征案例,采用SPSS软件提炼出造成衬砌结构开裂的主成因为:混凝土收缩、衬砌背后空洞、列车振动与地层不均匀沉降,为预防抑制衬砌裂缝发育扩展提出相应措施。通过数值模拟研究受损结构与完好结构在分级加载过程中,衬砌结构及配筋的受力状况,得出裂损状态对衬砌结构承载能力的影响。采用不同的加固补强方法分别对裂损结构进行处理,计算结果表明采用套拱进行全周加固的补强方法不仅能大幅提高衬砌结构承载能力,还能有效的抑制既有裂缝的发展;而采用纤维板修补裂损衬砌只能抑制裂缝扩展,提升结构承载力的效果欠佳。