近年来,以客运专线为重点的全国铁路网建设已经全面展开并得到了蓬勃发展,铁路隧道建设数量和总长度均位居世界第一。隧道建设规模的日益扩大与隧道建设理论不完善的矛盾日益突出,以经验设计方法为主导的隧道设计理论将迎来巨大的挑战。本文重点关注隧道二次衬砌支护结构,通过理论分析、工程试验和数值计算相结合的技术手段对二次衬砌结构力学特性展开深入研究,对二次衬砌结构设计方案的优化提供借鉴。主要取得了以下研究成果：(1)从现象上分析二次衬砌结构的承载特性。基于ABAQUS平台建立实际工程的三维有限元模型,运用扩展有限元法(XFEM)对于二次衬砌裂缝进行分析,指出二次衬砌裂缝分布规律、裂缝扩展过程、裂缝外观表现形式及发生机制。地层条件对于二次衬砌裂缝的分布和裂缝类型有着重要影响,随着地层侧压力系数的不断增大,先后在拱顶内侧产生纵向裂缝,结构左右两侧外部产生环向裂缝和结构底部外侧产生环向裂缝。(2)从机理上分析二次衬砌结构的承载特性。采用数值模拟方法,引入混凝土塑性损伤本构模型,分析得到二次衬砌结构的承载特性。明确二次衬砌结构的弹塑性典型破坏过程,拱脚是最易破坏区域,应采取加固措施；对于钢筋混凝土二次衬砌和素混凝土二次衬砌两类结构类型,得出其在不同地层条件下的破坏规律,总结了配筋对于增强二次衬砌力学性能所发挥的作用；通过数值解与解析解的比较,验证了数值分析的可靠性。(3)依托贵广高速铁路贺街隧道实验段工程现场监测实例,并结合二次衬砌受力工程案例统计分析,得到二次衬砌背后受力特点。指出二次衬砌最不利受力状态出现在拆模时,初支-二衬接触压力呈现出较大的分布离散性,而且二次衬砌所受荷载实际上是初支传递过来的形变压力,与规范上采用松散体高度计算得到的松散压力是不同的；拱顶接触压力较小。