随着我国铁路隧道的快速发展,隧道病害日渐显现,其中隧道衬砌背后空洞缺陷是影响隧道衬砌结构健康服役和行车安全的主要病害之一。目前,针对隧道衬砌背后空洞的研究主要集中在含空洞隧道衬砌结构的受力状态和处置措施方面,而对含空洞隧道衬砌结构的安全演化规律和评价方法及标准等研究相对较少。本文通过文献查阅、隧道现场调研、有限元数值分析和代表性工点病害整治等手段,针对隧道衬砌背后空洞缺陷影响因素及成因机理、不同空洞尺寸和不同空洞位置条件下隧道衬砌结构的受力特征、安全状态和含空洞隧道衬砌状态评价等开展了系统研究。主要研究内容和结论如下:(1)调研了隧道衬砌背后空洞缺陷特征及分布情况,得出了空洞缺陷多发生在拱顶位置,拱腰及拱墙部位相对较少。并分析了空洞缺陷的形成原因,其主要是由于隧道穿越区复杂的地质条件、施工质量卡控不到位和施工装备技术局限性等多种因素造成的。(2)运用Midas GTS NX有限元软件,建立隧道衬砌背后含空洞缺陷模型,模拟分析了不同工况下隧道衬砌结构受力,结果表明;(1)衬砌背后空洞缺陷的存在,使衬砌结构受力朝着不利的方向发展,尤其空洞位置附近衬砌结构受力变化较大,其所受轴力和弯矩随空洞的增大逐渐增大。如Ⅳ级围岩条件下,脱空宽度为0.5m,径向脱空深度从0.5m增加到3m时,衬砌结构所受轴力增大了100%,所受弯矩增大了200%。衬砌结构受力加剧,不利于长期稳定。(2)衬砌背后存在空洞缺陷使衬砌结构的受力状态发生改变。随着空洞尺寸的增大,空洞位置附近衬砌结构将由小偏心受压变为大偏心受压,由承受压应力变为承受拉应力,并且拉应力会随着空洞尺寸的增大而不断增大。拉应力的存在易使混凝土构件产生裂缝,这与实际隧道衬砌背后空洞的存在常伴有裂缝扩展相符。(3)衬砌背后存在空洞影响隧道衬砌结构的安全性能。隧道衬砌结构的安全系数随空洞尺寸的增大而不断减小,当衬砌背后存在过大尺寸空洞时,衬砌结构安全系数将降低到1以下,衬砌可能发生破坏而失去承载能力。(3)分析了我国隧道衬砌背后空洞分级现状,确定安全系数作为分级指标,结合数值理论计算结果,划分了衬砌背后空洞缺陷程度等级。并确定了Ⅳ级和Ⅴ级围岩条件下,空洞缺陷轻微、较严重、严重和极严重对应的环向宽度和径向深度范围,为现场空洞缺陷分级提供理论借鉴。(4)针对隧道衬砌背后空洞成因及可能发生的破坏特征,提出了空洞回填注浆和施作套衬加固两大类处治对策,并将所提出的处治对策运用于典型的工程案例,验证了方案的有效性和可行性。