北京地铁复合式衬砌隧道的衬砌裂损问题日益突出,对衬砌结构安全运营带来了不小的隐患。而北京地铁日常维修天窗时间不到4个小时,如何在地铁正常运营的前提下进行高效、快速地加固,是亟待解决的问题。本论文提出一种高强质轻、耐腐蚀的复合型材加固暗挖隧道衬砌结构。通过扫描技术获得的监测数据结合理论分析判断二衬现阶段的外荷载形式;基于弹性壳体理论分析,研究了复合型材加固暗挖隧道的力学特性,获得马蹄形断面的近似解析解,为复合型材加固暗挖隧道的设计提供依据;通过隧道各病害指标定量分析结构损伤级别,提出相应的加固对策,避免加固对策方案与病害不匹配造成的资源浪费或效果不良等问题,为加固结构的优化设计提供科学依据。本文主要工作及成果如下:(1)基于结构力学方法结合既有隧道衬砌的收敛变形监测数据对衬砌现在所受的外荷载进行反分析,推导出外荷载分布函数。再通过数值模拟的方法对模型加载外荷载函数模拟变形情况,并将数值模拟结果与监测结果对比分析,数值模拟结果与监测数据对比临近控制点区域相对误差较小,基本均小于20%,验证反分析方法准确性。(2)建立二维复合型材加固暗挖隧道结构力学模型,基于结构力学与弹性理论对复合型材加固暗挖隧道结构及其加固钢拱架、原复合衬砌进行力学分析,建立微分平衡方程和力矩平衡方程,建立内力计算公式。在二维力学模型基础上推广到三维复合型材加固暗挖隧道结构力学模型,基于弹性壳体理论对其进行力学分析,通过里茨—伽辽金法得到三维复合型材加固暗挖隧道结构位移近似解析解。通过理论方法分析了钢拱设置间距与钢拱设置刚度对加固效果的影响。加固钢拱架的设置间距、距离钢拱设置中心线距离是影响加固效果的关键因素,钢拱架设置间距越小,拱顶收敛剩余百分比越小,加固效果越好;距离钢拱设置中心线距离越小,拱顶收敛剩余百分比越小,加固效果越好,而且在距离钢拱设置中心线大于b/4后钢拱加固效果迅速下降,故在设计时应将钢拱中心线与需加固部位距离设置为小于b/4;钢拱设置刚度越大,拱顶收敛剩余百分比越小,加固效果越好。(3)使用GTS岩土专用分析软件和FEA非线性分析软件开展数值模拟研究,首先针对复合型材加固暗挖隧道的不同钢拱设置间距方案进行有限分析模拟,分析,不同加固钢拱刚度及不同设置间距的复合型材加固暗挖隧道进行数值模拟,分析各工况下的加固效果以及整体的加固情况,以复八线工程实例为背景与第三章理论分析结果进行对比验证。拱腰处数值模拟与理论结果对比最大相对误差小于16%,拱顶处最大相对误差小于10%,验证了理论分析结果的精确性。(4)釆用层次分析法(AHP)和模糊综合评价理论结合隧道运营期监测结果,来将各种损伤评估指标定性描述、定量化表达,通过数值模拟的方法来定量的确定指标权重,从而对长期运营条件下隧道的剩余衬砌刚度进行定量评估其损伤等级。并提出与损伤等级相对应地加固方案,并使用该评估体系对复八线案例进行评估,评定级别为四级损伤,基于第三章理论计算结果为复八线制定了装配式复合型材钢拱架加固方案。