随着经济社会的发展,我国公路隧道的数量、规模和发展速度等在国际上首屈一指,与此同时,运营隧道中的病害问题也逐渐显现出来。在我国西南地区,由于施工环境差、施工难度大,相比其他地区,隧道建设质量更难以控制,更容易产生各种质量缺陷,服役状况更加堪忧,致使隧道运营与养护面临严峻挑战。现阶段,公路运营隧道衬砌缺陷对隧道力学性能的影响机理和承载力的研究尚处于起步阶段,仍未形成理论体系和计算方法,本文通过室外大型试验、室内模型试验、理论分析、数值模拟相结合,针对公路运营隧道衬砌缺陷及其对隧道力学性能的影响机理进行深入系统研究,且对不同缺陷条件下隧道衬砌的承载力计算进行深入探讨,本文的研究成果对公路隧道,特别是云南以及我国西南地区的公路隧道的建设、养护、运营和管理等均具有重要的理论意义和工程应用价值。本文的主要创新研究和结论如下:(1)通过对隧道衬砌缺陷检测结果进行统计分析,揭示了隧道衬砌主要缺陷类型及其分布规律,并分析了衬砌缺陷产生的原因。进而建立了1:1比例尺含典型缺陷隧道衬砌模型,利用二维和三维地质雷达对其进行室外大型检测试验,得到了典型缺陷衬砌的地质雷达标准图谱。(2)考虑到衬砌自重对衬砌极限承载力的影响较小,以及光滑地面上试验模型所受到的摩擦力可忽略不计,同时考虑到卧式加载比立式加载更安全更稳定,尤其是,为了使试验更好地反映衬砌的实际工作状态,真实地模拟围岩对衬砌的约束和加载,研发了一种受力明确、结构简单、操作方便、安全可靠,并可重复使用、效率高的卧式隧道衬砌模型试验装置,该装置主要包括反力框架、电动液压系统、地层约束系统、拱脚固定装置。(3)开展了含衬砌空洞、衬砌减薄及其组合缺陷的NC衬砌室内模型试验研究,深入系统地研究了含缺陷NC衬砌的力学性能及其变形演化规律以及承载力。不仅实现了数值模拟与NC衬砌模型试验的相互印证,而且通过进一步分析研究揭示了缺陷、荷载和地层参数对NC衬砌力学性能的影响规律。(4)开展了拱顶和拱肩处含空洞缺陷的RC衬砌室内模型试验研究,深入系统地研究了含缺陷RC衬砌的力学性能及其变形演化规律以及承载力,揭示了RC衬砌相较于NC衬砌更高的整体性和更好的延展性。不仅实现了数值模拟与RC衬砌模型试验的相互印证,而且通过进一步分析研究揭示了空洞范围、空洞位置、地层刚度等参数对RC衬砌力学性能的影响规律。(5)结合工程实际需求,设计并实现了基于机器学习算法的隧道衬砌承载力计算工具箱,该工具箱包含5类机器学习回归算法,每类含有2个模型,同时建立了NC和RC衬砌承载力仿真数据集,解决了物理试验成本高、有限元分析花费时间长的问题,可通过数据驱动方式,高效、准确地计算隧道衬砌承载力。