自大瑶山隧道引入新奥法以来,复合式衬砌在我国山岭隧道工程中得到广泛的应用。但是,从众多已建成的隧道工程来看,复合式衬砌的设计理念存在较大的差别,其结构设计仍普遍采用基于经验的工程类比方法,关于复合式衬砌结构的设计还存在着若干基础性问题有待深入研究。本文以山岭隧道复合式衬砌为研究对象,利用现场试验、理论分析和数值模拟等方法,对初期支护、衬砌以及防水层分别进行了研究。依据复合式衬砌结构的实际受力状态,探讨了复合式衬砌结构设计优化的可行性。基于位移反分析技术,提出了确定衬砌合理施作时机及其分担围岩压力比例的计算方法。在现行规范衬砌截面安全检算公式的基础上,探讨了利用衬砌截面极限承载力曲线评价其安全性的方法。通过理论分析和数值模拟,研究了防水层对复合式衬砌结构受力特性的影响。主要研究内容和成果如下:（1）依托新建蒙西至华中地区铁路运煤通道工程,通过现场试验研究了Ⅳ、Ⅴ级围岩中初期支护和衬砌的实际受力状态,探讨了复合式衬砌结构设计优化的可行性。结果表明:隧道地质条件不同,初期支护背后的压力差别较大,现场实测的围岩压力与按现行规范计算的压力值并不一致,尤其是水平向压力;衬砌背后的压力相差不大,压力值较小,沿隧道环向分布均匀。喷混凝土承担了初期支护轴力的70%～90%;格栅钢架需要和喷混凝土结合,随着喷混凝土强度的增加而承载,在隧道拱部位置作用显著;相比于增大格栅密度,增加喷混凝土厚度对约束围岩变形的效果较好。衬砌主筋和混凝土的应力度都没有超过30%,衬砌处于安全状态且安全储备较高。一般情况下采用初期支护加强,衬砌厚度减薄以及素混凝土衬砌的复合式衬砌结构设计方案具有一定的可行性。（2）基于初期支护的变形监测数据,采用位移反分析技术,评价初期支护的安全性。提出了由初期支护的剩余变形反分析对应的围岩应力场,并将该应力场作用在初期支护和衬砌上进行正分析计算衬砌应力,用以确定衬砌的合理施作时机及其分担围岩压力比例的方法。以现场试验隧道工程为例,通过对比衬砌内力、围岩压力的现场监测和反分析计算结果,验证了位移反分析技术在确定衬砌施作时机及计算衬砌分担围岩压力比例中的有效性。（3）依据现行隧道规范中衬砌截面的安全检算公式,提出衬砌截面安全包络线的概念,可以简便直观地判断衬砌截面是否安全。探讨了利用衬砌截面极限承载力曲线计算安全系数,进而评价衬砌安全性的方法。考虑材料非线性的衬砌截面极限承载力曲线,可以统一地评价素混凝土和钢筋混凝土衬砌截面的安全性。基于极限状态设计公式的高速铁路隧道标准衬砌的截面极限承载力曲线,可以为衬砌设计提供一定的参考。（4）防水层的组合作用越强,复合式衬砌的曲率和挠度也就越小,然而曲率和挠度的减小是以增大衬砌截面受拉区为代价的;组合作用越强,对衬砌的约束作用就越大,施工期温度荷载作用下衬砌的温度拉应力也越大;强组合作用导致衬砌截面出现纯拉应力的几率增大,截面存在产生贯通裂缝的可能。防水层在优化防水效果的同时,应尽量降低初期支护和衬砌界面处的组合作用。喷膜防水层提高了复合式衬砌的整体承载能力,但其产生的组合作用可能导致衬砌截面产生纯拉应力,不利于结构安全;挂板防水层能够减小对衬砌的约束作用,降低衬砌截面产生贯通裂缝的可能。