随着高速铁路的不断发展,铁路隧道数量日益增加,相当比例的隧道出现了不同程度的病害问题,其中二次衬砌背后脱空现象是导致隧道病害的主要诱因。隧道二次衬砌背后脱空会改变结构整体受力情况,危害行车安全。为解决传统注浆工艺导致的传结构整体性差等问题,铁总大力推广衬砌拱顶带模注浆同步施工技术,但并未给出相应与技术配套的注浆料所用材料及配比。因此,本文通过试验研发出一种与带模注浆工艺配套且满足技术规范要求的新型水泥基注浆材料,并基于相似理论通过结构模型试验研究了采用隧道衬砌拱顶带模注浆工艺将新研发材料注入空洞过程中隧道结构整体力学变化特征,主要工作及研究成果如下:(1)采用单一变量法研究了粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土、胶砂比对水泥基材料流动性、强度、表观密度、膨胀率的影响规律。(2)基于基准配合比设计试验,采用三因素三水平正交试验,分析将水料比、硫铝酸盐水泥掺量、硅灰掺量作为变化因素对材料流动性及强度影响规律,并测得材料早期体积变化率及膨胀率,确定最优施工配合比。(3)选取最优配合比水泥基注浆材料不同龄期试件,通过X射线衍射分析、扫描电镜分析、能谱分析,从微观层面分析材料结构特征以解释其宏观表现。(4)通过相似模型试验,模拟了钢筋混凝土隧道二次衬砌背后不同位置存在脱空现象时,采用隧道衬砌拱顶带模注浆工艺将新研发材料注入空洞,该过程中隧道整体结构的力学变化特征。试验及分析结果表明:配制水泥基注浆材料时,胶凝材料选取普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰,三者按80%、13%、7%复掺,细骨料采用20-50目及50-120目规格石英砂按1:1复掺,胶砂比1.38,水料比0.19,P29减水剂、XD型膨胀剂、蔗糖-三聚磷酸钠复掺缓凝剂、P803型消泡剂按厂家推荐数值取中值掺入。该配比下的水泥基注浆材料具备高早强、微膨胀、流动性好的特征,且材料在硬化初期具有一定的膨胀性,可以补偿材料自身收缩,能够较好地保持材料体积稳定性。带模注浆时,弯矩在空洞处增长最快,其他远离空洞位置处弯矩随注浆压力的提升变化不明显,二衬弯矩增长要大于初支弯矩。轴力在空洞处增长最快,其他远离空洞位置处轴力随注浆压力的提升变化不明显,在拱顶部位,初支轴力增长要大于二衬轴力,右拱肩部位,二衬轴力增长要大于初支轴力。