由于隧道工程的周期长、项目多、技术复杂、不可预见风险多及对社会环境影响大等特点,因此隧道的建设及运营是一项高风险工程。本文就出现高风险的施工阶段的降雨冒顶垮塌及运营阶段的服役隧道衬砌中带孔腔混凝土进行试验及精细化数值模拟研究。在地质条件较差且出现强降雨灾害时,极易引发隧道塌方冒顶事故,容易影响施工进度,严重威胁洞内人员及工程财产安全,开展降雨入渗作用下的隧道塌方冒顶机制研究是隧道施工中面临的重要课题;衬砌结构的完整性对隧道建设及运营起着至关重要的作用,根据隧道缺陷统计结果,开裂、掉块等现象多为脱空及大尺寸空腔引起的厚度不足所致。目前,对由空腔引起的混凝土致裂机理的研究较少。因此本文主要对混凝土中大尺寸孔洞缺陷对混凝土结构性能的影响进行研究,为今后的缺陷衬砌的裂损机理研究准备基础。在本次研究中,针对强降雨下Kosman隧道塌方冒顶事故,在现场实时监测基础上,结合离散元数值模拟,分析强降雨下围岩裂隙及渗流的动态变化规律。并通过X射线计算机断层扫描(X-CT)、声发射(AE)和数值建模技术监测完整混凝土及内含聚苯乙烯(EPS)颗粒的预制缺陷混凝土的开裂过程,本文主的研究工作与取得的成果如下:1.隧道开挖初期,围岩自承能力较好;降雨过程中,隧道顶部渗流逐渐增大。导致岩石节理面刚度和强度逐步降低,地表至拱脚围岩扰动区出现大量剪切破坏裂缝,且数量及长度都随埋深增大而减少。贯通裂缝形成渗流通道导致雨水从拱顶裂缝涌入洞内,洞周孔隙水压力及渗流场呈漏斗型并逐渐降低,围岩有效应力增大加剧塌方冒顶事故发生。2.提出了三个在细观建模中用到的新方法:有效识别CT图像内骨料边界及特征概率信息的方法、等效随机多边形骨料放置方法、晶粒半径差异较大的细观离散元建模方法。提取及放置过程中建立了颗粒半径与轴向长度、方向角、伸长率等之间的内在概率联系。由此实现了基于传统骨料统计方法的最大拟合程度的二维细观精细化模型重构。3.通过CT、声发射和数值建模的方法研究了内含聚苯乙烯(EPS)颗粒的预制缺陷混凝土的单轴压缩开裂全过程。提出了一种制备具有初始缺陷混凝土的方法。研究结果表明内部缺陷对混凝土的力学性能有很大的影响,相较于完整混凝土,缺陷混凝土并未在达到单轴抗压强度时集中产生大量微裂缝,而是在单轴压缩初期较多微裂纹均匀产生。随着载荷的增加,混凝土中的宏观缺陷并没有崩塌,宏观破坏面仅在单个缺陷处形成,且所有裂缝均沿砂浆与骨料接触面(ITZ)扩展,达到单轴抗压强度后形成宏观裂缝。由于角部容易出现应力集中及距混凝土边界较近的宏观缺陷处裂缝扩展所需的能量较少,故混凝土内易出现宏观裂缝的两处为混凝土角部及距边界较近的宏观缺陷处。