根据交通部“十三五”现代综合交通运输体系发展规划,至2020年,全国公路总里程数将达500万公里,在建或拟建的山岭隧道数量庞大。山岭隧道一般采用复合式衬砌,以锚杆和喷射混凝土作为柔性初期支护,钢筋混凝土作为刚性二次衬砌。传统钢筋混凝土衬砌存在厚度大、工序复杂以及抗裂性能差,容易发生开裂、漏水等缺陷。波纹钢和混凝土组合结构结合波纹钢强度高,抗拉性能优和混凝土抗压性能好的优点;应用于隧道衬砌,采用工厂预制波纹钢板,现场拼装并灌注混凝土的施工工艺,具有厚度小、强度高、易施工、易养护等优点。本文以我国蓬勃发展的山岭隧道和大力推行的装配式施工为背景,以浙江永康市峡源隧道加固工程为依托,综合采用理论分析、室内试验及数值模拟等方法,研究波纹钢板-混凝土组合结构的力学性能和其在隧道中的应用,具有很强的理论和实践意义。主要研究工作和结论如下:(1)采用组合梁理论,分析了波纹钢板-混凝土组合结构的力学特性及不同组合形式对其力学特性的影响。研究发现:和同厚度的混凝土板相比,波纹钢板-混凝土组合结构的抗压及抗弯刚度均有显著提升,且抗弯刚度的提升效果要远高于抗压刚度;对于相同的波纹钢板,上覆混凝土厚度的增加对结构刚度提升效果显著,但随着混凝土厚度的增加,组合结构的承载力优势逐步减弱;对于等厚度的波纹钢板,大波距波纹钢板的力学性能优于小波距波纹钢板。(2)采用室内实验,研究了波纹钢板-混凝土组合梁的破坏机理及波纹钢板的厚度、波形、剪力钉、钢筋网等因素对波纹钢板-混凝土组合梁力学性能的影响,并将实验结果和限元模拟结果进行对比分析。室内试验研究发现:加载过程中,波纹钢板-混凝土组合梁经历了弹性、带裂缝工作和破坏3个阶段。裂缝首先出现在加载点附近或者纯弯段,随着荷载的增加,细微裂缝不断向上延伸并且宽度增大,其中一条裂缝发展成为贯穿裂缝,受压区混凝土压溃;剪力钉的设置能使波纹钢板和混凝土更好地协同工作,有效地增加了组合结构的承载力;钢筋网的设置能有效抑制混凝土的开裂,增加组合结构的承载力;有限元模拟结果和实测结果吻合良好,验证了有限元模型的正确性,为下文的隧道衬砌设计奠定了基础。(3)以峡源隧道的加固改造工程为依托,开展了波纹钢板-混凝土组合结构在山岭隧道衬砌中的应用研究。基于设计规范,采用有限元软件ABAQUS分析了波纹钢板-混凝土组合衬砌的结构内力和变形,对比了不同厚度衬砌的受力、变形特点及强度安全系数,选择受力合理且满足经济性、厚度为35 cm的衬砌进行工程应用;提出了波纹钢板-混凝土组合衬砌的现场施工工艺,为工程实施提供参考。