随着我国铁路的发展,截至2020年底,我国铁路运营总里程超过14.5万公里,其中,目前有16798座隧道正在运营,总长度约为19630公里。然而铁路隧道建设不可避免的要穿过膨胀泥岩地区,但泥岩遇水膨胀软化和失水收缩特性会引起隧道衬砌结构失稳,严重影响着隧道施工安全和后期的运营维护,是目前隧道工程中的一类特殊问题。本文以某膨胀泥岩地区铁路隧道为研究对象,首先,测试了泥岩试样的基本物理特性和膨胀特性,判定了试样的膨胀等级;其次,采用室内隧道缩尺模型试验与数值模拟相结合的方法,对比分析了隧道衬砌的变形特性;最后,总结出泥岩地区隧道衬砌破坏的模式,为类似的研究提供理论依据及对比分析数据。本文主要研究内容及结论如下:（1）对现场隧道的泥岩进行取样,室内进行了液塑限试验、密度试验、X射线衍射试验、自由膨胀率试验和阳离子交换量等试验,确定了泥岩试样的基本膨胀性指标,结合规范判定此类泥岩为弱膨胀性泥岩。（2）依据相似理论设计室内隧道缩尺模型试验,通过改变泥岩的含水率模拟隧道围岩遇水膨胀,测试泥岩膨胀力对隧道衬砌结构的影响,其中包含围岩膨胀力、衬砌变形值、应变值和含水率变化值。试验过程中,发现隧道围岩的含水率值随注水时间呈“S”形分布,总结为“稳定阶段-急剧增大阶段-再次稳定阶段”三个阶段;隧道衬砌周边围岩的膨胀力呈“近大远小”的分布规律,即距离隧道衬砌越远,产生的膨胀力就越小,反之越大;膨胀力最大测试值出现在仰拱处,约为36k Pa,膨胀力最小值出现在拱腰处,约为9k Pa。（3）测试隧道衬砌内表面的变形量值以及衬砌外表面的应力值。通过时间-变形时程曲线发现,在注水后360h,随着注水量的增大,隧道衬砌不同部位的变形值均增大,其中仰拱和拱顶处的变形量有最大值,拱腰处的变形量有最小值;拱顶和仰拱处的变形呈向内挤压的趋势,拱腰和拱脚处的变形呈向外扩张的趋势。通过在隧道衬砌模型纵向外壁1/2截面处、1/4截面处粘贴应变片监测衬砌应力的变化规律,分析发现,在试验含水率范围内,衬砌的应力与围岩的含水率成正比关系,此时仰拱处有应力最大值,拱腰处有应力最小值,并且与衬砌变形规律一致。（4）基于有限元分析软件模拟了泥岩隧道的膨胀变形及受力,对比分析了室内模型试验中隧道衬砌的变形与受力。结果表明,拱顶和仰拱位置更容易出现拱顶下沉和仰拱隆起等破坏形式,数值模拟所得衬砌变化趋势与室内隧道模型试验的变化趋势基本一致。本文通过室内隧道缩尺模型试验和数值模拟的方法,对膨胀泥岩地区隧道结构在膨胀力荷载作用下的稳定性进行了力学分析,验证了室内隧道缩尺模型试验结果的准确性,可为相似的研究提供理论依据。