高速铁路运输行业的快速发展,大力推动我国综合交通运输体系规划建设,同时也伴随新的问题。如何对隧道缺陷进行有效检测和整治,保证列车在隧道内正常通行和人员安全是必要要解决的问题。因此,有必要对隧道衬砌普遍存在且影响严重的空洞现象深入研究,为隧道检测后期有针对性的综合治理提供参考。本文通过检测数据分析,得出铁路隧道在施工和运营阶段都存在不同程度的衬砌空洞现象,集中分布在隧道拱部和边墙位置。统计分析衬砌空洞缺陷几何特征,包括空洞几何尺寸、空洞纵向长度、空洞径向高度、空洞角度范围、空洞几何形状等因素。根据检测统计分析结果,设计正交多因素数据分组对衬砌应力敏感性分析。引入破损阶段法安全系数评估空洞受力劣化程度。最后,提出空洞几何特征影响受力劣化程度判断标准。本文主要研究内容及结论如下:(1)对隧道检测数据统计分析,得出所检测区段衬砌碳化深度与衬砌混凝土强度总体达到隧道工程安全合格条件。说明衬砌碳化深度与衬砌混凝土强度不是分析的首要因素,需要对衬砌空洞进行针对性研究。衬砌空洞的存在削弱了衬砌与围岩之间的受力关系,出现衬砌支撑结构承载力不连续,隧道支撑结构的整体稳定性受到结构初始约束条件影响。(2)根据某客运专线A区段隧道检测,按照空洞出现位置,拱顶位置空洞高度大于拱腰和边墙。衬砌拱顶和拱肩位置产生空洞的概率较高,拱腰次之,边墙相对较少。大量缺陷病害区段位于隧道拱部位置,主要表现为衬砌裂损、衬砌空洞、衬砌裂缝以及衬砌渗漏水等现象。衬砌厚度与空洞高度的关系是相对应的,空洞高度相对于空洞范围的影响越小,认为空洞高度与衬砌结构应力状态关联较弱。运用变异系数分析区段空洞高度相应累积测线长度数据,空洞高度在8cm到24cm范围内显示出明显正态分布规律。空洞的纵向长度采用统计分析,空洞纵向长度常见数值为3~6m。隧道衬砌的空洞段纵向长度与相应位置的空洞高度数值没有明显的关联性。(3)通过正交数据实验设计方法对空洞几何形状和空洞范围设计分组。得出隧道空洞角度范围对纵向应力和环向应力影响最大,空洞形状的影响次之。然而当隧道空洞范围较小和空洞较小时,环向应力表现为负值,此时衬砌局部范围内受力状态与原始状态接近。拱顶存在空洞时,动载作用下动力响应敏感程度依次对应隧道位置边墙>拱脚>拱肩>拱顶。衬砌几何特征尺寸较小时,空洞几何形状对纵向应力影响较大。空洞几何形状为矩形受力劣化状态最严重,依次为矩形空洞受力劣化发展趋势大于三角形空洞,三角形大于圆弧形空洞。空洞高度40cm范围对应K最大值为6.25,在此数值点受力劣化状态急剧严重增大。(4)建立衬砌拱顶含空洞隧道ABAQUS有限元力学模型,围岩运用Druker-Prager准则采用非关联流动法则非对称求解,衬砌采用混凝土损伤塑性CDP模型实现,赋予材料损伤计算参数。运用Mappde映射多精细度网格划分技术完成隧道衬砌模型单元积分网格,解决精度逐渐过渡和曲线边界网格接洽。计算得出衬砌动力响应与衬砌位置有关,边墙位置动力响应最强烈。隧道上行线与下行测线衬砌时程应力变化增长趋势基本一致。(5)衬砌破损阶段法评估空洞受力劣化状态,引入安全系数分析。通过破损阶段法计算不同空洞形状、空洞范围和空洞高度控制的截面安全系数。当空洞高度在大于50cm时才表现出到达安全系数7.2,此时空洞局部受力劣化程度达到严重不利,表明隧道安全性级别危险。最后,对空洞几何特征尺寸受力劣化程度提出判断标准,为定义衬砌劣化的空洞几何特征提供参考。