随着我国高速铁路建造技术高质量发展，高速列车运行速度不断提升。受列车运行速度、隧道服役时间等众多因素的影响，高速铁路隧道在服役期间，衬砌裂损掉块病害现象日益凸显，严重危害行车安全。为探究行车环境下，列车风及其流场结构对隧道衬砌掉块下落过程的影响规律，建立列车-隧道-衬砌掉块-空气三维气固耦合计算模型，模拟行车环境下衬砌掉块自隧道拱顶脱落到下降落地的全过程。研究结果表明：（1）衬砌掉块的下落过程包括三个方向的平动与转动，平动以沿列车纵向运动为主，纵向运动位移约为横向运动位移的4倍，转动以横轴为主；（2）列车风与衬砌掉块相互作用相互影响，列车风作用在掉块时，掉块周围的流场出现漩涡、绕流等现象继而改变掉块的运动姿态和方向，与此同时，掉块的运动又进一步使其周围流场结构发生改变，以此不断反复直至落地；（3）沿列车纵向上是流场结构的主要流动方向，列车风作用在掉块上，推动其运动，故沿列车纵向为衬砌掉块的主要运动方向。衬砌掉块随时间变化与流场结构产生不同的夹角与不同强度的绕流，故衬砌掉块的转动以横轴为主。本文研究结果对防治隧道掉块病害及提高行车安全性具有一定的参考价值。