随着我国高铁隧道运营时间增长,各种隧道病害逐渐涌现。隧底结构和基岩作为列车荷载的主要承担者,是病害的高发区。目前,关于“带病”服役的高速铁路隧底结构动力响应和疲劳寿命的研究非常少,使隧底病害整治过程中缺乏参考依据。因此,本文以多场耦合作用下运营期铁路隧道基底结构破损与围岩劣化规律研究项目依托,采用数值计算和理论分析的方法对V级围岩标准隧道断面、双线行车时,基底水害、填充层分层和基底状况恶化三种病害条件下的隧底结构动力响应和疲劳寿命进行了研究。研究内容包括:基底水害对隧底结构动力响应的影响以及基底水害时隧底结构动力响应的一般规律;列车荷载和地下水对填充层内部离缝产生的影响机理,以及填充层内部出现不同长度的离缝时动力响应规律;基岩软化和基底脱空对隧底结构动力响应的影响;最后将三种病害条件下的动力响应结果导入疲劳分析软件FE-safe中,分析隧底结构疲劳寿命。主要成果如下:(1)基底发生水害时,地下水压力能够减小隧底结构的竖向沉降和振动加速度,但隧底结构的拉应力显著增加,不利于隧底结构的长期稳定;隧底结构的破坏受抗拉强度控制,仰拱中心和钢轨正下方仰拱处为破坏危险位置;行车速度增加,隧底结构的竖向位移、振动加速度和主应力的峰值随之增加。(2)根据断裂力学理论建立了列车振动荷载、地下水压力与填充层内部裂纹疲劳扩展速率的数学表达式,由此分析了列车荷载和地下水促进填充层内部离缝产生的影响过程;列车振动荷载作用下,随着填充层内部离缝长度的增加,其内部受拉区域随之增大,且离缝上部位置的竖向位移和加速度峰值急剧增大,其中加速度峰值远大于容许控制指标;当离缝贯通至填充层边缘时,位于离缝尖端正上方的填充层顶面位置出现较大的拉应力,达到了其容许抗拉强度指标的75.7%。(3)考虑地下水作用下,随着基岩软化厚度的增加,隧底结构的竖向位移峰值逐渐增大,振动加速度峰值呈现先增大后减小的趋势,拉应力峰值明显增加;随着基底脱空宽度的增加,隧底结构受拉加剧,如脱空3.6m时,仰拱中心处的拉应力达到其容许抗拉强度标准的67.5%,不利隧底结构的长期稳定。(4)基底无水害时,仰拱的使用寿命均满足设计要求,而基底水害条件下,行车速度为300km/h和350km/h时,仰拱的使用寿命为94和76年,不满足设计服务年限;行车速度为300km/h时,当填充层内部离缝未贯通至填充层边缘时,填充层结构不会发生疲劳破坏,当填充层内部离缝贯通至填充层边缘时,填充层结构的疲劳寿命急剧缩短,约为2年;行车速度为300km/h时,随基岩软化厚度和基底脱空宽度的增加,仰拱使用寿命迅速减小,远不能满足设计服役年限。