隧道基底在重载列车动力荷载的长期循环作用下，将不可避免地出现累积损伤、疲劳破坏以及基底围岩脱空等现象。为了揭示重载铁路隧道基底脱空对仰拱结构的影响，采用数值模拟方法建立动载-隧道-围岩三维数值动力学模型，探明不同基底脱空状态下重载铁路隧道过车时基底结构的动力响应特征，并基于弯拉状态下的混凝土S-N曲线得到了不同脱空状态下仰拱结构的疲劳寿命。研究结果表明：列车通过隧道时仰拱结构不同部位的各响应时程曲线呈现出波动起伏的峰谷交替现象，反映了重载列车车轮滚动通过的循环加载-卸载效应；基底脱空将使得过车时隧道仰拱的竖向沉降量以及最大主应力均有不同程度的增加，对隧道运营产生不利影响；基底结构受脱空宽度的影响较大，而受脱空深度的影响并不显著，在相同脱空深度下，仰拱的竖向沉降幅值随着脱空宽度的增加变化十分明显；基底脱空宽度对重载铁路隧道结构服役状态及运营寿命影响显著，为满足隧道运营的设计使用年限要求，V级围岩条件下隧道基底脱空宽度不能超过2 m，超限则必须及时进行整治，限制脱空的发展。同时在隧道建设过程中，若隧道基底围岩级别弱于IV级，应采取有效措施进行加固。