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在我国早期修建的隧道大多采用直墙式隧道形式,随着隧道运营年限的延长,直墙式隧道出现了大量衬砌病害现象,而衬砌背后空洞作为常见的质量缺陷,是隧道病害成因的主要诱因之一,严重威胁着直墙式隧道的运营安全。为了分析空洞存在条件下直墙式隧道结构力学特性及安全性,本文结合21座直墙式隧道衬砌病害检测数据,建立三维数值模型就空洞影响下衬砌结构安全性进行了分析,并利用扩展有限元法(XFEM)对空洞存在条件下直墙式隧道衬砌开裂机制及演化规律进行了分析,本文主要研究成果如下:(1)结合21座直墙式隧道衬砌病害检测资料,统计得:衬砌渗漏水主要位于拱部,渗漏水形式以浸渗为主;裂缝主要分布于拱部,并且纵向裂缝>环向裂缝>斜向裂缝;衬砌背后空洞主要分布在拱部位置,空洞纵向长度平均值约为10m、竖向高度平均值约为19.4cm。(2)基于三维有限元模型对空洞存在条件下衬砌结构内力分布规律及安全性进行了分布,得到以下主要结论:空洞环向范围的变化对衬砌结构内力及安全性影响显著,结构整体安全性随环向范围增大逐渐降低;空洞对衬砌纵向上的变形影响较大,衬砌纵向上竖向变形随着距空洞越远变形越小,且变形速率在空洞边界处最大;空洞纵向长度的增大对衬砌横断面上安全性影响较小,但是随着空洞纵向长度增大,衬砌危险截面占比增大,进一步降低隧道衬砌结构承载能力;相比于空洞环向范围及纵向长度,空洞径向高度的变化对隧道结构安全性影响较小。(3)采用扩展有限元方法(XFEM)对空洞存在条件下直墙式隧道衬砌结构开裂机制及演化规律进行了分析,分析得到:当拱部衬砌背后空洞环向范围较小时,衬砌结构与无空洞工况一样,仅在两侧拱脚位置各出现2条裂缝;当空洞环向范围增大到一定程度后,拱部结构达到拉应力极限值而开裂,从拱顶裂缝扩展的过程来看,加载前期裂缝的扩展需要较大荷载梯度,随裂缝扩展速率增大,裂缝扩展所需荷载梯度逐渐减小;拱部背后空洞环向范围的增大,恶化了衬砌结构力学特性,继而改变了衬砌结构的开裂机制,导致衬砌结构承载能力减小。(4)综合考虑衬砌背后空洞等指标,建立了空洞影响下直墙式隧道衬砌结构安全性评价模型,以衬砌背后空洞作为核心指标,建立了多层次的直墙式衬砌背后空洞影响下综合评价体系。