重载铁路特有的大运量、大轴重、高密度的行车方式，对隧道仰拱的破坏力非常大。我国既有的重载铁路隧道经过数十年的运营，特别是在地下水发育的情况下，隧道仰拱结构便开始出现开裂，破损，下陷，向两侧外挤，道砟表层翻浆冒泥等病害。而目前对重载铁路隧道仰拱病害机理的研究较少，当列车轴重进一步增大后，进行重载列车荷载作用下的隧道仰拱复杂的受力情况以及病害机理的研究具有重要的实际意义。该论文依托铁道部科技研究重大课题“既有线开行大轴重列车关键技术研究-既有铁路开行大轴重重载列车技术条件下路基隧道检测与强化技术研究(2012G011-B)”。针对我国既有重载铁路隧道实际状况，通过隧道现场动态测试和仰拱结构抗冲击性能的室内试验两部分主要内容，为检测与强化技术的提出提供理论依据。本文的主要研究内容和成果包括以下几个方面。(1)通过对既有重载线路的现场调查，选择典型隧道断面进行动态测试。研究了轴重增加下隧道仰拱表面的动应力、加速度和动应变的变化规律。动态测试结果表明：随着列车轴重的增大，隧道仰拱表面的动应力基本呈线性增加，当重载列车轴重达到30t时，动应力可达193kPa；动应力随车速增加呈现出纺锤型变化，速度对动应力的影响不太明显；加速度随轴重和车速增加而增大，实测最大加速度可达1.29g；仰拱动应力、加速度的分布很不均匀。(2)从抗冲击性能试验的要求出发，总结国内外已有试验装置的优缺点后，设计了新型的抗冲击试验装置。该装置采用电机提供动力，并配备了控制器，可以控制落锤从不同高度下落，对试件同一点进行冲击，减小了试验过程中人为因素对试验结果离散性的影响，而且装置的适应性好，能够进行不同尺寸试件的试验，非常适合冲击试验这种反复性高的试验。(3)采用新型抗冲击试验装置进行了多种不同类型的冲击试验：不同冲击锤落距下的抗冲击性能试验；不同材料强度下的抗冲击性能试验；抗冲击性能随仰拱底部脱空宽度的变化试验；抗冲击性能随仰拱底部脱空深度的变化试验。试验结果表明：冲击能的增大对于结构破坏的影响要比结构自身混凝土标号降低造成的影响明显；抗冲击次数随着脱空宽度的增加而总体呈现出减小的趋势，特别是脱空宽度达到5cm后，抗冲击次数明显减小，并迅速导致结构破坏；抗冲击次数随着脱空高度的增加而呈现出减小的趋势，当脱空高度在0.5~0.8mm时，抗冲击次数明显减小，结构迅速发生破坏，但随后高度的继续增大对冲击性能的影响已经很小。