为缓解城市内及城际间的交通压力,大量采用盾构法修建的地铁隧道和铁路隧道开通运营。根据盾构隧道长期运营的经验发现大量的管片背后存在空洞病害。空洞会改变管片结构的内力分布状态,诱发隧道结构出现初始损伤,尤其在长期列车振动荷载作用下,损伤可能会进一步演化,从而危及隧道结构的安全运营。本文通过资料调研、模型试验和数值模拟相互结合的方法,重点考虑管片背后空洞的尺寸及位置因素,针对空洞对列车振动荷载作用下隧道结构及周围地层动力响应的影响开展了研究,并进一步探究了空洞对隧道结构内力的影响规律。主要工作与研究成果如下:(1)通过开展室内模型试验,在隧道纵向中间底部位置设置激振器以模拟单点列车振动荷载,研究了管片背后空洞的尺寸及位置对盾构隧道结构及周围地层动力响应特性的影响规律。本文引入频率响应函数(FRF)和相干系数,将扫频振动荷载和正弦振动荷载作用下的试验结果相互对比,验证了模型试验的可靠性。由于环境噪音的影响,荷载频率介于0~40Hz时,相干系数小于0.9,表明试验结果可靠性较低。而当频率大于40Hz时,相干系数接近于1,表明试验结果可靠性较高。(2)通过数值分析软件FLAC3D对模型试验结果的可靠性进行验证,并主要针对低频段(0-40Hz)的动力响应特性进行研究。同时,针对空洞尺寸及位置对隧道结构内力的影响规律开展研究。研究结果表明两种方法均具有较高的可靠性。空洞对隧道结构及周围地层的动力响应存在明显的放大效应,随着空洞宽度的增大,放大效应越明显。对于隧道结构,空洞对距其最近测点的动力响应增幅最大,并且随着距离的增加,空洞的放大效应逐渐衰减。拱顶空洞、拱腰空洞及基底空洞对周围地层动力响应的增大幅值依次减小。空洞也会增大隧道截面的弯矩响应和轴力响应。并且随着空洞宽度的增大,隧道结构弯矩响应和轴力响应的放大效应也更加明显。(3)在已有研究的基础上,采用数值分析软件FLAC3D进一步研究移动列车振动荷载作用下列车时速、空洞尺寸和位置对盾构隧道及周围地层动力响应及应力分布的影响规律,同时探究了空洞对管片结构内力分布的影响。随着列车时速的提高,隧道结构及周围地层的峰值振动加速度和应力响应、隧道结构的弯矩和轴力响应明显增大。在移动列车振动荷载作用下,空洞对隧道截面的弯矩响应和轴力响应有明显的放大效应。相比于单点振动荷载,移动振动荷载作用下空洞对隧道截面内力的影响范围有所增大,因此在以后有关空洞的研究中有必要考虑列车振动荷载的移动效应。