重载铁路运输作为我国物资运输的一种重要形式,承担着与日俱增的物流任务。为了缓解日趋紧张的运输需求,重载列车的轴重不断增加,进而导致重载铁路隧道病害现象愈发严重。本文以线弹性断裂力学为理论基础,通过建立开裂衬砌的“荷载—结构”模型,计算了不同围岩环境下、不同位置、不同深度开裂衬砌的裂缝尖端应力强度因子和稳定性系数,分析了不同工况下开裂衬砌的应力状态,并以裂缝深度为指标对衬砌开裂病害进行了分级。基于工程可靠度理论,考虑了多个计算参数的概率统计特征,建立了隧道衬砌背后存在空洞时的“地层—结构”随机有限元模型,计算了不同围岩环境下,不同位置存在不同规模空洞时的衬砌结构内力及可靠指标,总结了空洞位置、规模与衬砌内力及可靠指标的关系,并以空洞规模为指标对衬砌背后空洞病害进行了分级。以30 t轴重列车基底动压力实测值为动荷载,建立了隧道基底动力有限元模型,分析了基底填充层的动应力响应特征,并结合混凝土疲劳破坏理论,提出了适用于隧道基底填充层的拉压疲劳S-N曲线,计算得到不同厚度填充层的疲劳寿命,并以填充层厚度为指标对重载铁路隧道基底填充层厚度不足病害进行了分级。