加快交通强国建设是我国“十四五”规划和2035年远景目标之一。隧道是公路、铁路等交通工程的重要组成部分，相关工程建设已取得巨大成就。随着运营规模增加和时间延长，隧道衬砌裂损、渗漏水等问题日益暴露和凸显，已然成为影响我国交通基础设施高质量发展和高品质服役的重大技术与工程难题。
为助力我国现代化基础设施体系及交通强国建设、保障隧道衬砌结构长期健康服役及降低运营维护成本，采用室内试验、理论分析和数值仿真等方法，针对水力化（hydro-mechanical-chemical，HMC）耦合效应下隧道衬砌混凝土渐进裂损机制展开了研究。
（1）开展了混凝土三轴应力-渗流试验，探明了混凝土三轴力学性能及渗透率特征，揭示了隧道衬砌裂损渗漏的形成机制。研究发现：混凝土强度及渗透率随初始损伤应力的增大分别呈降低和增加趋势；初始损伤应力达80%UCS时，初始力学损伤对渗透率的影响开始显著增加；混凝土裂缝中碎屑的移动导致渗流通道被堵塞，进而降低混凝土渗透率；衬砌结构高水平应力卸载后，进入峰后状态的混凝土因回弹变形出现宏观裂隙，衬砌出现裂损渗漏。
（2）针对既有混凝土弹塑性损伤模型未有效表征横向变形演化问题，分别基于应变能释放率和库伦摩擦准则推导了混凝土的损伤模型及塑性模型，首次建立了考虑混凝土内部微孔隙坍缩、微裂隙剪切膨胀等因素影响的混凝土弹塑性损伤模型，进一步构建了应力-渗流耦合效应下的混凝土弹塑性损伤模型，提出了基于回映算法的求解方法。研究表明：不考虑混凝土内部微孔隙坍缩、微裂隙剪切膨胀等因素的影响将不利于准确分析混凝土结构应力，而塑性应变影响系数可有效表征这两个因素对横向可测量应变的影响；在此基础上，率先提出了表征塑性应变影响系数在不同加载阶段变化的反正切函数描述方程，得到了混凝土横向应变计算方法，即：横向总应变由弹性应变、塑性应变与塑性应变影响系数乘积的和组成。
（3）构建了考虑混凝土破坏特征、损伤与裂缝宽度映射关系的隧道衬砌裂损分析方法，进而开发基于自主构建混凝土弹塑性损伤模型的Umat子程序，并构建三维数值模型开展多工况分析，探明了隧道衬砌裂损的主要影响因素及规律。研究表明：混凝土劣化是隧道衬砌裂损的重要影响因素；随着隧道服役时间的增长，围岩和混凝土均逐渐劣化，使得隧道衬砌结构承受荷载增大，而其承载能力降低，导致衬砌出现裂损。
（4）针对渗流-溶蚀作用下衬砌裂损发展机制不清晰问题，基于自主开发试验装置开展裂损混凝土的静态水及流动水溶蚀试验，探明了溶蚀作用下混凝土断裂面的结构形态演化及物质迁徙规律，提出了混凝土裂损断面的溶蚀发展量化模型，揭示了渗流-溶蚀作用下的衬砌混凝土结构裂损演化机制。研究发现：渗流速度增大使得混凝土断裂面处形成CaCO₃沉淀的难度增加，宏观表现为“白色”物质减少；渗流速度为5.0cm/s时，混凝土断裂面在30d后的平均溶蚀深度为0.0893mm；混凝土断裂面溶蚀扩展和胶结堵塞的相互竞争共同决定了混凝土裂缝演化特征。
（5）基于格子Boltzmann方法和随机生长方法，率先建立了可综合考虑物质随机分布、Ca(OH)₂溶出及细颗粒迁徙等因素的混凝土裂损渗流-溶蚀耦合分析模型，探明了混凝土裂损演化的影响因素及作用规律。结果表明：断裂面溶蚀速率与渗流速度正相关，在渗流速度达到一定值时趋于稳定；混凝土裂缝扩展通常随可溶物含量的增加而增大。
（6）构建了综合考虑裂损形成及发展的隧道衬砌裂损渗漏处治时机预测方法，并开展了工程实例分析。研究认为：隧道衬砌渗漏水处治时间包括衬砌裂损形成时间与裂损发展时间；对于拟定水下盾构隧道，设定工况下隧道管片约在服役65年时出现裂损渗漏，在隧道建成服役84.5年后渗漏水量可能超出容许值。

隧道结构；衬砌裂损机制；水-力-化耦合效应；细观力学；渗流-溶蚀作用；格子Boltzmann方法