我国西部黄土高原区地形起伏大,由于线路纵坡限制,铁路线路通过黄土塬区常以隧道的形式穿越。银川-西安高速铁路(简称银西铁路)穿越塬区时,遇到较厚具有弱膨胀性的古土壤层,而已有关于穿越膨胀性地层隧道开挖及支护方式多参照未考虑膨胀力的黄土地层的施工经验,使得穿越膨胀性古土壤地层的隧道衬砌结构力学性能存在较大风险。论文以银西铁路早胜隧道为依托工程,通过室内试验,数值模拟,现场监测相结合的方法,对穿越膨胀性古土壤层大断面隧道衬砌受力特征进行研究,揭示膨胀力荷载作用下衬砌力学响应及内力分布特征,提出适用于古土壤层的衬砌厚度设计参数。论文的研究取得如下成果:(1)通过室内试验系统研究了古土壤的工程特性,并分别根据含水率和原状、重塑古土壤的强度、膨胀力、膨胀率的关系,得到以含水率为自变量的古土壤强度、膨胀指标表达式。根据古土壤在干湿循环以及外部荷载耦合作用下的损伤变量,建立考虑含水率变化及荷载作用下的古土壤损伤方程。(2)依据早胜古土壤隧道工程建立地层结构模型,根据渗流方程与温度传导方程在表达形式上的一致性以及温度场和水分场的关联性,采用温度场替代水分场模拟古土壤膨胀力影响下初期支护的应力-应变场。根据不同含水率下膨胀势释放规律及不同支护厚度下初期支护与围岩的变形及内力分布特点,得到初期支护的最佳厚度。(3)建立二次衬砌的荷载结构模型,依据正交试验得到二次衬砌设计方案。考虑安全性、经济性等因素,建立二次衬砌厚度优化模型,得到了研究区古土壤隧道二次衬砌最优厚度,认为当二次衬砌厚度50cm,环向钢筋20@200时最优,相较于原衬砌厚度(60cm)造价下降了 10.1%。(4)在早胜三号隧道开展衬砌结构现场监测试验,通过埋设土压力盒、混凝土应变计、钢筋应力计、表面应变计等设备监测衬砌受力状态,同时结合数值计算进一步分析总结该厚度参数下初期支护、二次衬砌对围岩压力的分担比例及其自身的受力特点。