仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,起着使支护和衬砌一体化,约束围岩变形,提高围岩稳定性的作用。在围岩静载及列车振动荷载的作用下,仰拱结构易产生隆起开裂等病害,影响隧道结构稳定性和列车运营安全。因此,本文通过调研存在仰拱变形破坏的隧道,分析导致仰拱病害产生的主要原因,结合理论分析和数值模拟,以隧道仰拱结构为研究对象,依托于某既有铁路隧道,研究围岩静载作用下和列车荷载作用下仰拱结构力学响应特性,总结分析不同因素对隧道仰拱力学性能的影响。主要研究内容与成果如下:(1)通过对16座具有代表性的出现仰拱病害的国内铁路隧道进行调研,总结出导致隧道仰拱结构病害的主要原因。(2)研究了不同影响因素对围岩静载作用下仰拱结构力学性能的影响。通过数值模拟和现场实际验证,分析围岩静载作用下仰拱结构受力特性,仰拱填充层上表面受拉应力且出现上拱变形,中间位置变形量最大;分析了仰拱结构力学性能随围岩极限膨胀力、仰拱矢跨比、仰拱混凝土强度和仰拱厚度等因素变化的影响,随着围岩膨胀力的增加,仰拱矢跨比的减小,填充层顶面最大拉应力增大,上拱位移增大。随着仰拱强度的增大,厚度的增加,填充层顶面最大拉应力减小,隆起位移减小。(3)引入激振力函数模拟轮轨间作用力,研究了不同影响因素对列车荷载作用下仰拱结构力学性能的影响。结果表明:列车荷载作用下,仰拱结构整体呈向下运动的趋势,结构竖向位移、加速度、动应力时程曲线在列车荷载作用初期出现峰值,随后趋于稳定,围绕某一数值上下波动;仰拱结构竖向位移、振动加速度及动应力响应与列车运行速度成正相关,竖向位移及加速度与仰拱矢跨比成正相关,动应力响应与仰拱矢跨比成负相关,竖向位移与仰拱厚度成正相关,动应力响应与仰拱厚度成负相关;行车速度和仰拱矢跨比两个变量的改变较仰拱厚度改变产生的影响更大。(4)研究了基岩软化和基底脱空两种基底状况对列车荷载作用下仰拱结构力学性能的影响。结果表明:仰拱结构各部位的位移、振动加速度、最大主应力和最小主应力随着隧底基岩软化层厚度的增加、基底脱空宽度的增加而增加;隧道基底软化层和空洞的出现不会改变仰拱结构力学性能的整体分布特征和时程变化规律,但会导致结构的振动响应增加,受力条件恶化,影响衬砌的长期使用。工程中要避免基底不良情况的出现,及时进行修复。