“货运重载”已成为我国铁路运输事业主要发展方向,重载铁路运输具有轴重大、总重大、行车密度和运量特大的特点。重载铁路线路中隧道工程占有较高的隧线比,因重载列车大荷载和高作用频次而产生的结构动力特征和疲劳损伤也更为明显,目前尚缺相关理论和计算方法。鉴于此,论文开展的重载铁路隧道结构动力特征及设计方法研究具有重要意义。论文采用现场大型原位激振试验、长期远程监测、理论推导、数值模拟和资料调研等多种研究方法。以我国2条重载线路张唐铁路和瓦日铁路为工程依托,对重载铁路隧道结构动力特征、荷载解析解、结构计算模型、疲劳损伤预测方法进行了研究,主要研究成果有:通过现场实测明确了27t~30t轴重、III~V级围岩条件下有砟、无砟单双线重载铁路隧道结构的动力特征。研究得出拱墙结构动力响应远低于隧底结构且重载线路轨道范围动力响应最剧烈,获取的底部层间动荷载分布特征和竖向传递规律为荷载解析解提供了研究基础。基于实测数据结合现有规范、国内外研究成果,根据道床受力特点和轮轨作用方式提出了道床表面荷载理论计算方法;利用应力扩散角理论分别得到了无砟、有砟隧道填充表面荷载解析解,为地层结构模型、实体单元弹簧模型和疲劳损伤分析提供了计算依据;采用弹性层状体系推导了仰拱结构表面荷载的弹性力学解析解,为弹性地基梁模型和荷载结构模型提供了荷载初始条件。通过温克尔地基梁计算理论叠加无载段和荷载段的结构内力解建立了模型一可单独对仰拱/底板结构进行内力计算;通过在地层结构模型各结构层间设置接触单元,在填充表面荷载基础上建立了模型二可计算动荷载在隧底结构的层间分布及传递;通过弹簧单元等效模拟围岩约束作用建立了模型三可实现围岩细部模拟;施加隧底结构自重荷载和列车等效荷载在仰拱/底板结构表面上的模型四可进行简化计算,4种计算模型内力计算结果均包络实测结果表明可用于重载铁路隧道结构设计。统计得出的3种重载铁路隧道侧沟结构可简化为分离式和整体式2种受力型式,基于弹性力学平面应变问题的结构内力解析解,可对侧沟受力特征进行分析。通过数值计算明确了隧底结构疲劳损伤分布特征和演化规律,得出重载列车动力作用决定了疲劳损伤主要集中在重载线路轨道附近,同时疲劳寿命由上至下逐渐增加。比较轴重和围岩级别对隧底结构疲劳寿命的影响程度得出轴重是主要影响因素。最终拟合得到了隧底结构中不同部位的疲劳寿命预测公式。