高速铁路隧道具有列车运行速度快、断面大、结构振动更剧烈、可靠性要求高等特点,高速铁路隧道建设期间,隧道仰拱的底鼓病害是影响隧道施工安全的重要因素;列车运行期间,在围岩静载及列车动载共同作用下隧道仰拱的破坏或急剧扩展,直接影响列车运行安全。但由于破坏诱因、过程、机制及程度的不同,对隧道施工及列车运行安全的影响有着显著的差异,使得仰拱安全性控制的难度及效果相差悬殊。针对这一系列问题,论文首先从高速铁路隧道仰拱破坏模式出发,研究仰拱底鼓破坏机制及演化规律,并对其影响因素进行分析,提出高速铁路隧道仰拱设计原则;其次基于振动波传播机理,明确隧道仰拱动力响应及衰减规律;最后提出高速铁路隧道仰拱安全性评价方法。主要开展工作及研究成果如下:(1)研究了高速铁路隧道仰拱破坏演化规律,从受力特征及破坏形态的角度出发,提出了隧道仰拱底鼓破坏的基本模式,分别为弯曲张裂型、弯剪拉裂型以及剪切错动型,并揭示了相应的破坏机制。弯曲张裂型以受弯破坏为主,破坏集中于跨中位置;剪切错动型以受剪破坏为主,由水平方向过大的轴力引起剪切错动;弯剪拉裂型同时受弯剪作用,破坏集中于拱脚位置。(2)建立了荷载结构模型与地层结构模型相耦合的力学模型,获得了仰拱内力场的解析解,给出了对数螺旋线方程及仰拱内力场的求解流程。基于正交试验给出了高速铁路隧道仰拱结构变形影响程度排序,建立了高速铁路隧道仰拱变形预测模型,得到了仰拱底鼓变形效应的表征和计算公式。提出了高速铁路隧道仰拱设计的基本原则,将高速铁路隧道仰拱底鼓分为轻微、中度、严重三个等级,并给出了各等级判别标准。(3)建立了列车—轨道—仰拱相互作用模型,基于数值计算及现场试验对仰拱结构在高速列车荷载作用下的振动特性进行了分析,将高速列车作用下仰拱结构的振动响应分为超前振动、通过时振动以及驶离后振动三部分,通过时振动最为剧烈是仰拱结构产生振动病害的主要因素。给出了列车振动荷载作用下仰拱及其填充层的动力响应规律,发现竖向振动加速度及动应力响应与深度成反比,与列车运行速度成正比,指出仰拱及其填充层是列车振动荷载的主要载体。(4)分析提出了高速铁路隧道仰拱结构在围岩静载及列车动载作用下裂缝的扩展规律,指出围岩静载作用下出现的裂缝遭遇列车动载时存在急剧扩展现象。基于对仰拱疲劳累积损伤的研究,给出了仰拱疲劳寿命的计算方法。(5)建立了高速铁路隧道仰拱安全性分析模型,提出了以隧道围岩性质及仰拱结构条件、静力响应、动力响应三个方面为核心指标的评价模型,建立了包含破坏模式、隆起位移、裂缝开度、裂缝深度、裂缝长度、振动加速度、振动损伤7项基础指标在内的综合评价体系,提出隧道仰拱安全性分级方法,将其分为A、B、C三个安全性级别,针对不同级别采取不同的控制措施。该方法在福川隧道工程中得到了成功的应用。