我国隧道数量及总里程已处于世界前列,然而,随着隧道运营时间的增长,隧道病害问题也与日俱增,其中,衬砌背后脱空是隧道最常见的质量缺陷,是导致隧道病害主要诱因。衬砌背后脱空会恶化围岩-衬砌接触关系,改变衬砌结构力学特性和围岩应力分布规律,威胁隧道的运营安全和使用寿命,本文基于文献查阅、数理统计、数值模拟、现场检测等方法研究了衬砌背后脱空对隧道结构力学特性和安全性的影响规律,主要研究成果如下:(1)从隧道设计理念、施工质量控制和运营维护等方面归纳总结了隧道衬砌背后脱空的一般成因。(2)基于100余座公路隧道无损检测资料,获取了脱空形态分布的一般规律,统计结果表明:(1)衬砌背后脱空主要分布在拱部位置,拱部衬砌背后脱空占总数的95%;(2)衬砌背后脱空长度分布离散型较大,其中个别隧道纵向整体脱空,而脱空高度主要分布在0~20cm范围内,并且衬砌背后脱空平均长度和高度基本遵循:拱顶>拱腰>边墙、V级>IV级>III级的一般规律;(3)通过统计模型分析得到,拱顶、拱腰和边墙脱空高度均为右偏态和尖峰分布,最后基于MATLAB软件拟合了脱空高度分布曲线,获取了各位置脱空高度概率分布函数。(3)基于地层-结构模型对隧道拱部衬砌背后小型脱空对隧道结构影响规律进行研究,得到了脱空位置、脱空环向范围及脱空径向高度对衬砌内力、衬砌安全系数、围岩-衬砌接触压力、围岩应力分布的影响规律,研究成果如下:(1)衬砌结构在脱空两侧边缘产生应力集中现象,脱空范围衬砌结构安全系数明显减小,降低了衬砌结构整体安全性;(2)在本文的计算工况条件下,随着拱部对称脱空环向范围的增大,衬砌结构整体安全性降低,脱空两侧边缘接触压力应力集中现象越明显,但整体接触压力呈减小趋势,围岩应力松弛区随脱空环向范围增大呈增大趋势,而拱部对称脱空高度对隧道结构整体安全性影响较小,但是随脱空高度增大,脱空两侧边缘接触压力应力集中现象越显著;(3)拱部衬砌背后非对称脱空工况下对衬砌结构力学特性和安全性影响和对称脱空工况下类似,但是,非对称脱空工况下接触压力应力集中现象较对称脱空工况下更为显著,且对围岩应力分布规律影响较大,当偏转角为1/2脱空环向范围时,衬砌背后脱空对围岩应力的分布影响最大。(4)归纳总结了常见的衬砌背后脱空治理措施;重点针对注浆处理脱空这一措施进行了理论计算,获取了不同注浆压力在治理衬砌背后脱空时对衬砌结构安全性及围岩应力的影响规律,并结合理论研究结果对衬砌背后不同尺寸脱空的注浆方式给出了优化建议。(5)本文依托某省道隧道病害的整治(土建)改造工程对本文理论研究成果进行验证和应用,通过数值计算对比分析了治理前后隧道结构整体安全性,并通过地质雷达无损检测方法验证了衬砌背后脱空注浆效果。