近年来,我国高速铁路隧道发展迅猛,许多高速铁路隧道已经建成并投入使用。与普通铁路隧道相比,高速铁路隧道的动力响应更为显著,高速铁路隧道在历经相当次数的应力和应变循环作用后,隧道衬砌结构会出现各种程度的裂缝,裂缝的进一步发展将导致衬砌产生掉块、渗漏水等严重病害,进而影响列车运行的安全与效率。因此,本文采用福川隧道的现场监测和ABAQUS数值模拟相结合的方法,对高速铁路隧道列车振动荷载作用下衬砌结构的动力响应规律进行了研究,并分析了列车运行速度和衬砌背部拱顶处含空洞对高速铁路隧道衬砌动力响应的影响;同时,本文分析了列车荷载循环作用下,高速铁路隧道裂缝的发展过程和隧道的疲劳寿命,并对高速铁路隧道进行安全性分级,以期为隧道施工、检修及列车运营安全提供一定的借鉴。本文主要的研究结论如下:(1)列车振动荷载作用下,高速铁路隧道衬砌结构动应力响应和振动加速度响应的规律相似,在列车荷载作用的瞬间衬砌结构动力响应最大,随后很快恢复,表现出冲击特性;列车振动荷载对隧道衬砌底部结构的动力响应影响较大,对隧道拱腰和拱顶处的动力响应影响较小,隧道衬砌结构的动力响应由道床传递到仰拱填充结构再传递到二衬的衰减幅度为50%左右,隧道衬砌结构的动力响应由拱脚传递到拱腰再传递到拱顶的衰减幅度为30%左右。(2)高速铁路隧道衬砌背后空洞结构对列车振动有着较为显著的传递和放大作用,当空洞角度较小(小于30°)或列车运行速度较小(小于300km/h)时,隧道衬砌的振动加速度响应表现为拱脚部位>拱腰部位>拱顶部位;当空洞角度较大(大于30°)或列车运行速度较大(大于300km/h)时,隧道衬砌的振动加速度响应表现为拱脚部位>拱顶部位>拱腰部位。(3)基于扩展有限元(XFEM)模型研究长期循环往复的列车荷载作用下裂缝的扩展规律发现,高速铁路隧道裂缝在列车振动荷载作用下沿纵向方向扩展较为迅速,拱脚处的裂缝扩展速度尤甚;高速铁路隧道衬砌结构的振动加速度峰值随着裂缝扩展逐渐增大,但振动加速度的增幅逐渐减小。(4)Miner线性累积损伤理论可以较好的预测高速铁路隧道的疲劳寿命。当列车运行速度为300km/h且日最大车流量为100对时,隧道的疲劳寿命小于100年,不满足100年抗疲劳的设计要求。为提高高速铁路隧道的服役寿命,应加强隧道衬砌结构设计,对于目前正在运营的隧道应做好病害监测、整治和结构加固等措施。