近年来,随着我国西部大开发战略的实施,使得西部地区的基础设施工程建设大规模展开,特别是高速铁路、高速公路建设得到快速发展。我国西部是一个多山的地区,著名的黄土高原就坐落在西部。众所周知,在黄土隧道施工过程中主要会面临拱顶沉降量大、地表开裂、仰拱隆起、开裂等现象。某隧道在施工的过程中,出现地表开裂、塌陷、衬砌变形乃至隧道仰拱开裂现象。因此,本文将紧密结合该隧道的施工过程,对隧道衬砌结构受力特性以及变形特性进行试验研究,探讨引起该隧道仰拱开裂的原因。本文以兰州南绕城高速公路某隧道为工程背景,开展的工作及得出的结论如下:(1)通过分析本项目的工程地质及水文地质特征,通过现场取样进行室内试验,得出围岩的物理力学参数。内力测试断面处围岩较松散,钢拱架间距为1m/榀,步距稍大。(2)在施工现场布设三个内力监测断面,第一个断面布设在标准段内,第二个断面布设在试验段内(试验段设置临时仰拱且仰拱有配筋),另外一个为临时仰拱测试断面。通过对测试数据的分析,发现围岩压力值普遍较大,填充层左右两端处于受压状态,中部处于受拉状态,且填充层中部混凝土所受拉应力值超过其抗拉强度。仰拱增加配筋后,填充层表面的裂缝宽度明显减小,但施作临时仰拱未能对裂缝的发展起到抑制作用。(3)在三个内力测试断面附近布置拱顶沉降、净空收敛、边墙沉降观测点及地表沉降观测点。通过分析衬砌结构及地表的变形规律,得出拱顶沉降值大于边墙沉降值,地表裂缝最大宽度为15cm,最大错台为10cm,且地表多处出现塌坑。(4)采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维模型,对隧道的施工过程进行模拟,通过分析衬砌结构受力与变形数据,发现仰拱及填充层中部处于受拉状态,且拉应力值已超过混凝土的极限抗拉强度值。(5)采用结构力学求解器对仰拱受力特性进行计算,分析仰拱各部位安全系数的变化规律。在仰拱拱高一定时,随着均布荷载的增加,仰拱各部位安全系数减小,且左右拱脚与拱底安全系数减小的更为明显;当均布荷载一定时,拱高越大,仰拱各部位的安全系数越大。当拱高达到一定高度时,仰拱各部位安全性能均能满足要求。本文以实际工程问题为背景,采用室内试验、现场监测、数值模拟及结构计算相结合的方法分析引起仰拱及地表开裂的因素,提出相应的处理措施,为类似工程提供借鉴。