隧道在穿越黄土-古土壤地层中围岩浸水产生膨胀变形问题,这将严重威胁隧道在运营期的安全,因此,研究古土壤的力学特性和隧道支护结构与围岩相互作用具有重要意义。本文从室内力学试验和细观测试,研究了黄土-古土壤的膨胀力学特性及微观的结构特征,得到了相关力学参数。以银西高铁早胜三号隧道为工程背景,运用Midas-GTS软件与FLAC3D有限差分法软件,建立了三维模型,应用热-力耦合算法,分析了古土壤的膨胀对隧道衬砌结构的内力影响,在确定膨胀力等效荷载基础上,研究不同膨胀荷载下隧道围岩的应力和变形、承载拱、基底应力分布、实体衬砌的破坏模式。推导了考虑不同膨胀荷载作用下地基压缩应力的解析解。本文主要取得以下研究成果:(1)主要通过对黄土-古土壤力学特性研究,确定古土壤膨胀力约为40kPa;膨胀变形量对数值与压缩应力对数值呈线性关系。细观试验测定古土壤膨胀变形主要由黏土矿物伊利石引起,微结构以粒间空隙为主,土颗粒呈面面接触,与Q3黄土进行对比,古土壤结构致密。(2)运用GTS荷载-结构法对埋深50m的隧道支护结构进行数值计算。考虑不同位置作用不用大小膨胀力,结果表明,膨胀力作用于拱顶是最不利的,临塑膨胀力最小;当基底膨胀力超过一定值时,仰拱中心隆起变形加快;拱顶的沉降量与拱顶膨胀荷载成线性正相关。(3)进行FLAC3D热-力耦合数值计算,结果表明,隧道开挖后拱腰两侧一定范围内出现附加应力;得到初始状态和不同膨胀荷载作用下围岩承载拱内外边界值;对实体衬砌破坏模式进行分析,衬砌塑性区由拱顶向外侧逐步贯通,由拱脚内侧逐步向仰拱中心发展,并与荷载结构法计算结果形对比,两者结果趋于一致。(4)利用Flamant和隧道周围施加一圈膨胀荷载模型,确定了不同膨胀荷载下基底压力分布函数,得到了膨胀荷载下基底附加应力解析解,并用仰拱中心进行验证,证明了解析解在一定范围是可靠的,而膨胀荷载产生的附加应力只对基底以下10m的土层产生影响。