随着我国高铁建设的飞速发展,高铁在给人们出行带来方便,甚至从根本上在改变着人们生活方式的同时,高铁在建设及运营过程中出现了很多富有挑战性的问题,特别是和安全运营及防灾减灾有关的问题在不断涌现。本文依托国家自然科学基金项目(U1434211),针对在役高铁隧道中存在的空洞缺陷,研究在高速列车长期经过含有空洞缺陷的高铁隧道的过程中,高铁隧道衬砌混凝土的损伤演变与列车荷载振动次数之间的关系,并对拱顶、拱腰、边墙三种脱空位置的不同脱空程度进行工况设置,由此预测了不同种工况下衬砌的服役寿命及损伤程度。分析结果对于揭示带空洞缺陷服役的高铁隧道衬砌的结构动力学性态、结构疲劳损伤累积的演变规律等具有重要的参考价值,为高铁安全运营提供重要依据。针对高铁隧道空洞问题的重要性,本文通过分析整理国内某权威机构对我国5000条铁路隧道的检测大数据资料,对空洞类型和分布情况做了较全面的统计。同时基于大型通用有限元软件ABAQUS对含有空洞缺陷的高铁隧道进行仿真模拟,与贵州大独山高铁隧道现场动力试验结果数据结合验证。最后借助仿真模拟的力学数据结合混凝土疲劳损伤累积模型理论估算不同脱空条件下含空洞缺陷的高铁隧道的衬砌的正常使用状态的寿命,以此来描述空洞病害给高铁隧道衬砌带来的不良影响。本文的主要内容以及结论如下:(1)通过对目前国内外对隧道空洞的研究成果和进展,对高铁隧道空洞的各种类型成因以及其对铁路运营所带来的潜在危害做了详细的阐述。基于对国内铁路隧道质量检测的大数据进行分析整理得出了隧道空洞的两大类型:(a)二次衬砌的本身脱空或者厚度不足;(b)初支背后围岩与初期支护间接触不密实或者脱空。(2)通过对国内某权威机构对在役隧道病害的检测的大数据研究,并结合部分现场观测资料,分析并统计了隧道空洞缺陷的分布情况。通过分析大独山高铁隧道现场动力加速数据的监测结果,对高铁隧道的基本的动力响应规律进行了数据方面的分析。(3)分析了国内外对于混凝土的损伤机制的研究和对混凝土疲劳理论的研究成果及其不足。选取了适合本文所研究工作的混凝土损伤累积模型和混凝土疲劳方程作为含空洞的高铁隧道衬砌劣化过程的理论基础。将混凝土的疲劳寿命与损伤变量相结合来描述振动荷载给混凝土带来的损伤过程和寿命预测。为后面章节研究不同脱空情况对高铁隧道衬砌混凝土带来影响做数据基础。(4)基于大型通用有限元软件ABAQUS,针对高铁隧道出现的拱顶、拱腰、边墙三种部位的脱空情况进行有限元仿真模拟。结合高铁隧道现场实测的加速度数据与有限元模型计算加速度数据结果对比情况,验证了数值模拟结果与实际高铁隧道衬砌动力响应数据能够较好的吻合,为之后研究不同脱空情况下衬砌混凝土的损伤和寿命预测做数据支撑。本章节得到的结论是:空洞病害给隧道衬砌的动力响应带来了显著的影响,并且对比发现同种情况下二次衬砌厚度不足引起的脱空类型比初支与围岩之间接触不密实的脱空类型产生影响要小。二衬脱空时衬砌最大主拉应力峰值是1.09Mpa,而在初支背后脱空时衬砌最大主拉应力峰值高达1.36MPa。(5)通过将混凝土的疲劳方程预测寿命N_f与损伤变量D相结合的方式来描述不同的脱空情况给高铁隧道衬砌所带来的不同的损伤过程。通过计算列车振动荷载对混凝土所造成的损伤以及振动次数来预测不同工况下衬砌混凝土的使用寿命。本章得到的结论是:在二衬脱空20cm以上后便不能满足我国高铁隧道的设计使用年限的要求,10cm以下的二衬脱空厚度对隧道的服役没有太大影响;初支背后脱空的角度范围超过20°以上也不能满足我国高铁隧道的设计使用年限的要求,脱空角度范围在10°以下对隧道的服役没有太大影响。