本文以南吕梁山膨胀岩铁路隧道为工程背景,针对膨胀岩隧道稳定性问题进行了研究。通过对地质资料与病害情况的整理与分析阐述了该地区的病害演化规律与病害机理。根据相关文献中关于该地区膨胀岩的试验数据,对隧道周围含石膏质泥灰岩的膨胀与软化特性进行了研究和讨论并提出了含石膏质泥灰岩的膨胀系数-吸水率模型。由于需要对病害隧道进行处治方案的验算,但隧道周围的膨胀参数无法明确,因此基于以上研究提出通过反演隧道病害特征来得到围岩膨胀参数的思路,而后根据监测数据、支护结构受力与变形情况对反演结果加以验证,得到了对应的围岩膨胀参数。依照此参数对三种不同的隧道病害处治方案的安全性进行了校核与对比,得到了最优的隧道病害处治方案。由于最优处治方案的隧道洞径大于原支护方案,因此需要对原有隧道进行衬砌拆除与围岩扩挖,因此对该措施进行三维建模分析,对扩挖所产生的影响效果进行研究并提出了相关建议。最后,通过对原支护方案和最优处治方案下的围岩软化系数、膨胀系数和含水率增量进行参数敏感性分析,得到了导致衬砌发生膨胀破坏的主导因素以及采取处治方案后的效果。研究成果为实际工程中膨胀岩隧道的支护设计优化提供了参考依据。具体研究成果如下:(1)南吕梁山隧道的病害情况呈周期长、病害类型多,规模大的特点。其地质构造和不良地质条件为病害的发展提供了客观条件。最终在高地应力、隧道围岩的膨胀软化以及硫酸盐的侵蚀等因素的耦合作用下,隧道支护结构破坏。(2)含石膏质泥灰岩发生膨胀时,其膨胀率与膨胀吸水率随着时间的增加会不断增大并最终趋于稳定,其膨胀系数随着吸水率的增大会逐渐减小并最终趋于稳定。对软化特性来说,岩石吸水后只有泊松比随着时间的增加而增大,其他参数会减小。(3)对特征断面进行病害模拟后发现,特征断面的最大膨胀范围为13m,膨胀系数为0.139,含水率增量为0.6%。而后将该参数用于三种处治方案的校核,发现圆形隧道与卸压回填孔相结合的支护组合形式为最优处治方案。(4)对隧道进行衬砌拆除和围岩扩挖分析后发现,应采用小进尺,且进尺不宜大于4m,对扩挖段的注浆加固半径不宜小于9m,并且要至少对邻近扩挖端面4m以内的隧道进行防护。(5)膨胀软化参数敏感性分析结果表明,在原支护方案下,各参数敏感程度依次是:膨胀系数>含水率增量>软化系数;在处治方案下,各参数敏感程度依次是:膨胀系数=含水率增量>软化系数。将两种方案进行比较,可以发现处治方案能有效地降低各参数的敏感性并且使隧道各位置处对膨胀软化参数的敏感度处于一个相近的范围,增强其结构稳定性。