高铁隧道运营时会承受高速列车的动荷载作用,目前含空洞高速铁路在高速列车作用下的动力响应方面缺乏系统的研究。因此,本文在依托国家自然科学基金——高铁联合基金(U1434211)的基础上,借鉴前人现场试验测试的数据,采用有限元数值模拟的研究方法,以我国现行典型双线高速铁路隧道为原型,系统研究无损隧道与含空洞隧道,单空洞隧道与双空洞隧道,空洞脱空大小、脱空位置等不同工况条件下隧道衬砌结构在列车振动荷载作用下衬砌拱圈动力响应特征及规律,研究的结果对揭示含空洞运营隧道的长期结构动力学性态,结构损伤演变规律、结构安全系数演变及结构破坏前兆,提高高速铁路隧道安全运行环境,增加隧道使用寿命具有重要的现实意义及参考意义。本文研究内容及成果如下:(1)通过查阅文献及实地调研,对普速铁路隧道存在衬砌病害情况进行统计分析,得出隧道衬砌发生空洞脱空是隧道病害的主要形式,其中在衬砌拱顶处产生空洞的概率最大。(2)运用有限元法建立二维隧道模型研究了隧道衬砌背后空洞对隧道衬砌结构的受力影响,通过对二维空洞的脱空位置、脱空厚度、脱空角度等设置不同的变量,研究隧道衬砌背后空洞在不同脱空形式的条件下,对隧道衬砌结构的受力进行分析,得到隧道衬砌结构在高速列车荷载作用下的动力响应规律,各测点应力值大小情况规律是:边墙>拱腰>拱顶。(3)运用有限元法建立三维隧道模型研究了隧道衬砌背后空洞对隧道衬砌结构的受力影响,通过对三维空洞的脱空位置、脱空深度、脱空间距等设置不同的变量,研究隧道衬砌背后空洞不同脱空形式的条件下,结合有限元计算结果对隧道衬砌结构进行安全性评估,随着单空洞脱空深度的增加或者双空洞脱空间距的减小都会使隧道衬砌结构安全系数减小,并且同种工况下,拱顶位置安全系数最小,拱腰次之,边墙最大。(4)针对隧道衬砌背后空洞缺陷的不同表现形式,引入混凝土疲劳方程及损伤变量来更加直观的展现空洞不同脱空情况下对隧道正常运营使用的影响程度。