煤层采空区地层是指含煤地层煤矿被开采后遗留下的空间区域,具有孔隙率大、离散性大、颗粒稳定性差等特性,是典型的力学不稳定地层。以往交通隧道选线大多以绕避措施通过煤层采空区地层,但随着交通路网规划越来越密集,绕避代价将越来越高,煤层采空区地层修建交通隧道的实例越来越多。穿越煤层采空区地层隧道施工扰动将改变地层原有平衡状态,出现应力重新分布现象,增大隧道开挖施工风险,改变隧道衬砌结构力学特征。本文依托于达州—万州高速公路天坪寨隧道,采用离散元颗粒流数值分析软件和室内相似模型试验完成了薄煤层采空区地层承载能力和构造形态模拟,主要研究成果如下：1、基于煤层采空区地层的形成机理和离散元颗粒流数值计算软件的特性,对煤层采空区地层离散元颗粒流数值计算软件的适用性做了相应分析。2、将公路隧道与煤层采空区三维空间关系等效为二维空间关系来研究,并采用离散元颗粒流方法得到了煤层采空区地层隧道初期支护刚度对隧道衬砌结构受荷特性的影响规律；得到了上覆煤层采空区、下伏煤层采空区和穿越等工况下隧道洞周围岩颗粒细观破坏特性、公路隧道衬砌承受荷载分布规律；并基于计算结果,对传统荷载—结构设计模式在煤层采空区地层的适用性做了定性分析。3、基于二维平面应变原理和室内相似模型试验理论,选取几何相似比CL=20和容重相似比Cr=1为基础相似比,选取相似材料并完成了薄煤层采空区地层和公路隧道衬砌结构的相似模拟,获得了薄煤层采空区地层隧道二次衬砌结构变形特性、内力特征和后期变形破坏特性,为煤层采空区地层公路隧道在后期营运期间衬砌结构健康安全性提供参考性依据。