衬砌开裂是公路隧道中最常见的一种病害,对隧道工程质量及运营交通安全都会造成严重影响。在不同荷载作用下,隧道衬砌开裂最终可能演变至隧道掉块事故。因此,需要对裂损衬砌结构进行承载能力评估和安全性评价。目前,国内外研究还没有搞清楚隧道衬砌裂缝扩展的空间演变规律以及衬砌开裂与掉块之间的关系,也没有针对衬砌掉块的综合性分析方法。本文分析总结了不同荷载模式下隧道衬砌裂缝的三维扩展规律,采用3DEC软件建立了裂缝贯穿衬砌后的掉块风险分析模型;在此基础上,通过模糊层次分析法统筹了裂缝扩展和块体掉落分析的结果,建立了包含隧道衬砌裂缝状态和块体状态的三级指标体系,建立了隧道衬砌掉块风险安全评价体系。本文主要内容如下:（1）通过收集大量的公路隧道衬砌裂缝文献,分析公路隧道衬砌裂缝开裂的原因、危害以及衬砌裂缝的分类方式,为公路隧道衬砌裂缝扩展的模拟提供数据支撑。结合经典块体理论,对北碚隧道衬砌掉块案例进行分析,采用矢量分析方法实现了对可动块体和关键块体的计算,并将其应用于隧道衬砌块体衬砌块体掉落风险分析中。结合块体稳定性分析方法,重新推演北碚隧道衬砌掉落块体的稳定性,最终结果显示与事实相符。（2）通过有限元软件ABAQUS对偏压荷载、水压力、膨胀性土压力这几种典型诱因下的衬砌结构进行扩展有限元建模分析,分析总结了衬砌裂缝的三维扩展规律。建立了基于截面短期刚度的安全评价方法,并对183种工况进行了剩余刚度比值验算,得到了不同工况下的剩余刚度比值演变规律。（3）结合裂缝三维扩展规律,引入经典块体理论,采用3DEC离散元软件,通过改变预设结构面形成关键块体来模拟不同空间形态裂缝对隧道衬砌安全性的影响,并对隧道衬砌关键块体不同位置、衬砌混凝土强度变化对隧道安全风险进行分析评估。（4）通过构建基于模糊综合评价法的三级指标体系,建立了关于掉块风险的隧道结构安全性评价体系。其中三级指标体系包含了隧道衬砌块体状态和裂缝状态。根据各项指标的隶属度函数计算得到的结果,通过安全等级矩阵将公路隧道衬砌结构划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个安全等级。结合实际工程案例试算,验证了隧道衬砌掉块风险评价方法,能为运营期公路隧道衬砌结构开裂掉块的风险评估提供必要的参考。