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随着十三五规划的实施,高速铁路的建设已经向我国西部地区快速覆盖,各类隧道、桥梁数量显著增多。尤其是西部省区复杂的地质条件给高速铁路隧道的建设和运营带来新的挑战。不良地质条件下大断面深埋隧道仰拱结构的选取对隧道建设及后期运营的安全至关重要。因此,以穿越上新统红黏土地层银西高铁庆阳隧道为工程背景,以庆阳隧道围岩及其仰拱结构为研究对象,通过室内试验、现场监测、数值模拟计算等方法,对庆阳隧道仰拱结构进行优化,并对不同的仰拱结构的受力及变形情况进行研究,得出以下研究成果:(1)通过对庆阳隧道的现场调研,发现隧道斜井底板出现了不同程度的开裂以及明显的底鼓现象,对红黏土进行现场试验研究,发现红黏土具有一定的膨胀性;进而对红黏土进行室内试验,得出红黏土膨胀性受初始含水率的影响较大,初始含水率越小,红黏土的膨胀潜势越大;结合现场调研及室内试验的结果,提出了对隧道仰拱进行优化的建议。(2)通过正交试验对影响隧道仰拱变形的影响因子进行研究,得出对仰拱变形影响程度的大小依次为:围岩性质、混凝土厚度、仰拱曲率半径、仰拱混凝土强度、隧道洞径,结合工程实际,提出了隧道仰拱矢跨比优化和仰拱厚度优化两种方案;采用荷载-结构法,对不同矢跨比条件下隧道衬砌结构的受力及变形情况进行对比分析研究,得出增大仰拱矢跨比能有效改善衬砌结构的受力状态,减小仰拱底鼓变形,在隧道仰拱矢跨比为0.10时为最优矢跨比;对不同厚度仰拱衬砌结构位移及安全系数进行分析,得出增大仰拱厚度可有效抑制仰拱底鼓变形,同时仰拱结构安全系数呈中间小两边大的分布规律,因此可考虑将仰拱设置为变截面形式,并提出了新型仰拱结构。(3)通过FLAC3D数值模拟,运用温度比拟法对不同初始含水率下原设计衬砌结构进行三维数值研究,发现衬砌结构及围岩的变形及受力情况与初始含水率的大小密切相关,初始含水率越大,衬砌及围岩变形量越小,受力越优,反之亦然,通过对比分析,将初始含水率为6%的围岩作为最不利工况;在初始含水率为6%的条件下,对矢跨比优化后的衬砌结构及围岩进行分析,得出矢跨比优化后可以有效抑制隧道拱顶沉降量,改善衬砌结构的受力状态,但同时增加了拱脚位移量,对隧道拱脚不利;通过对新型仰拱结构的衬砌及围岩进行分析,新型仰拱结构可以有效抑制隧道衬砌变形,同时可以改善衬砌结构的受力状态。(4)通过现场监测,对仰拱结构受力特征进行研究,并实时监测仰拱及衬砌的受力情况,对新型仰拱结构进行实际的验证,为类似工程的设计与施工提供借鉴。