海底隧道结构在服役过程中受到高水土压力以及多方面耐久性环境因素耦合作用,致使管片混凝土、钢筋、接头等部位出现一系列病害。随着服役年限增加,衬砌结构承载能力不断降低、变形及开裂问题愈发显著,直接威胁结构安全性和适用性。本文以大连地铁5号线海域段及其陆域过渡段区间为依托工程,综合考虑海洋腐蚀环境、碳化、冻融循环以及不良地质条件下大直径盾构管片的实际受力情况,对盾构管片中常见钢纤维和聚丙烯纤维混凝土开展力学性能和耐久性试验研究,并对管片结构服役状态发展进行预测。主要内容如下:1.开展了聚丙烯纤维和钢纤维混凝土的基本力学性能试验,结果显示,各组纤维混凝土各龄期抗压强度较普通混凝土提升不大,纤维混凝土试件在各龄期弹性模量均有部分提升;两类纤维混凝土的试件强度、弹性模量的离散性相对普通混凝土有增长,纤维混凝土抗压强度离散性最高可达7%以上,弹性模量的最大变异系数不超过2.5%;各组试件受压本构关系试验发现,掺加纤维后混凝土延性有所提升。2.开展了弯曲荷载下纤维混凝土快速碳化试验,结果表明:纤维混凝土在各龄期碳化深度都较普通混凝土有明显的下降,钢纤维试件碳化深度普遍高于同龄期的聚丙烯纤维试件;60%极限抗弯荷载等级下各组试件碳化深度都较30%荷载下大,且荷载级别对普通混凝土影响更显著。3.开展了碳化作用下纤维混凝土氯离子渗透试验,对各组经历28天快速碳化后的混凝土试件进行电通量试验,结果表明,对于未碳化试件,掺加纤维的混凝土抗氯离子渗透能力更强。随着碳化龄期的增长,各组混凝土试件氯离子扩散系数均呈递减趋势,体现了碳化对混凝土结构抗氯侵能力的增强作用。4.开展了纤维混凝土碳化后冻融循环下力学性能试验,结果表明,纤维混凝土在各测试点相对动弹模均要大于普通混凝土,且差异随着冻融循环次数增加而增长;经历28天碳化后的试件组在各测试点相对动弹模上普遍较未经碳化的试件组有不超过10%的降低,碳化冻融试验组力学性能在冻融循环后期下降较快,体现了初始碳化裂缝对冻融损伤发展的促进作用。5.进行了纤维混凝土力学性能理论研究。以损伤力学为基础,建立纤维混凝土受压本构模型,通过实测受压本构标定混凝土损伤门槛应变、最大应变概率分布等参数;以可压缩堆积理论和三重球理论为基础,考虑纤维的增韧作用和时效性,建立纤维混凝土抗压强度和弹性模量依时发展模型。6.进行了纤维混凝土耐久性性能理论研究。以条带法为基础,建立弯曲荷载作用下碳化深度发展动态微分方程,利用试验数据标定模型参数;以损伤力学为基础,考虑冻融循环下混凝土的蠕变损伤与疲劳损伤,以相对动弹模损失作为损伤指标,建立冻融循环下混凝土损伤发展模型。7.对案例工程中盾构管片承载能力可靠度进行研究,在隧道海域段、陆域段各选取两个断面,在原配筋方案下对四个典型断面管片结构设计可靠度进行计算,结果表明各断面初始可靠度水准较高。考虑纤维混凝土耐久性能提升,并考虑碳化、钢筋锈蚀、杂散电流对管片耐久性的影响,计算纤维混凝土管片替代方案时变可靠度。结果表明,原设计方案100年设计期时可靠度略低于规范限值,使用纤维混凝土可显著提高管片可靠度,增加其安全储备。