近年来,我国交通运输工程建设的规模与数量在总体上出现不断增长的趋势。据调查,大多数公路、铁路隧道皆存在衬砌结构类病害,这些病害将对交通质量产生很大危害,不但影响隧道行驶车辆和行人的安全,更会缩短隧道的使用年限。因此,对隧道病害采取全方位的健康诊断,推测发生病害的缘由,定量评价隧道结构的健康度,并及时提出有效合理的维护手段,延缓隧道病害进一步恶化,是目前亟待解决的问题。本文通过理论分析、数值计算与现代数学方法,开展了隧道工程衬砌病害机理与评价方法研究。主要研究内容有:(1)基于隧道结构主要破损形态分析,确定了影响隧道健康状态的病害指标系列,进一步利用层次分析法建立隧道指标体系;引入我国公路隧道专项检查结果的四级判别方法作为隧道健康等级的划分方法,在此基础上建立隧道等级分级方案:在全面比较国内外诊断指标判定标准的基础上,综合研究了渗漏水,衬砌裂缝,衬砌背后空洞,衬砌材质劣化,衬砌起层及剥落,衬砌变形、移动及沉降六种病害特征的判据。(2)基于包含接触算法和应力释放的地层-结构计算模型,研究隧道衬砌强度劣化、衬砌背后空洞和衬砌厚度减薄三种典型病害的作用机理与影响规律,通过对不同病害的安全系数、结构承受轴力、剪力和弯矩的对比分析,得到病害作用对结构安全的影响程度和影响范围,为后续研究工作的开展奠定坚实的基础。(3)考虑到隧道病害的多样性、实时性与不确定性,以乘积标度为主观赋权方法,以基于熵与最大熵原理的熵权法作为客观赋权方法,提出一种改进的主客观综合权重分析方法——综合赋权法。将该方法应用到模糊综合评价中,通过隧道病害案例检验,其评价结果与单独利用乘积标度法及熵权法确定的评价结果对比,具有较好的一致性。当主观权重与客观权重诊断结果差距较大时,该方法可起到数值优化作用,使诊断结果更倾向于隧道真实情况。(4)结合裂缝图像处理技术,将分形理论引入隧道衬砌裂缝病害评价分析中,通过不同特征指标的裂缝病害分形分析,研究了裂缝分维数随裂缝长度、等效宽度以及裂缝条数的变化规律,结果表明裂缝病害具有统计自相似性。分别运用盒维数法和模糊数学方法计算裂缝病害的分维数和健康值,通过二者之间的对应关系建立基于分形维数的四级裂缝病害评价方法,给出了不同病害等级对应的分维数范围。进一步将该分级方法应用到工程案例分析中,结果表明基于分维数和健康值的裂缝病害评价结果基本一致,说明基于分维数的隧道裂缝病害评价方法具有较好的工程适用性。图23表48参108。