石膏质岩是一种常见的膨胀岩,具有膨胀时间长且膨胀压力不稳定的特点,给穿越该地层的隧道支护设计增加了难度。和其它让压支护相比,缓冲层复合支护体系具有能在整个运营期内持续让压的优点,因而更适合在石膏质岩隧道等长期大变形隧道中应用。但现有研究在缓冲层作用机理和缓冲层复合支护体系优化设计方面仍存在不足。本文以山西南吕梁山隧道病害段为依托,对缓冲层复合支护体系进行了系统研究。首先在三层厚壁圆筒模型理论推导的基础上,深入分析了缓冲层让压机理;结合解析解和数值计算,对缓冲层进行了参数影响分析;最后结合实际工程,系统地研究了缓冲层复合支护体系优化设计方法。本文所做的主要工作和获得的研究结论具体如下:（1）推导了三层弹性厚壁圆筒和外层为弹塑性本构的三层组合圆筒的解析解,并应用于缓冲层机理分析。（2）缓冲层复合支护体系通过缓冲层压缩实现让压,让压对二衬受力有利,但对初支受力不利,因此进行缓冲层设计时应同时考虑初支和二衬的受力。（3）缓冲层各参数对让压效果的影响可以统一为单位体应力下的体积压缩量C,C值相同的情况下缓冲层材料的让压性能基本相同。（4）缓冲层在应力应变关系第一、二阶段的让压效果可以用总压缩量来表征。缓冲层进入第三阶段即压密阶段后,二衬受力将快速增大,因此在缓冲层复合支护体系设计中应避免缓冲层进入第三阶段。（5）外层弹塑性的三层厚壁圆筒与三层弹性厚壁圆筒的计算结果对比分析表明:初支是否采用让压设计对整个复合支护体系的受力影响极大。要使缓冲层复合支护体系发挥较好的效果,宜使用让压初支与缓冲层配合进行让压。（6）系统地提出了基于理论解析解的缓冲层复合支护体系的优化设计方法,并结合实际工程进行了优化设计。在支护体系总刚度相同条件下,增大初支与二衬的刚度比对改善缓冲层支护体系的受力较为有利。在缓冲层复合支护体系优化设计中,建议以缓冲层、初支和二衬的优先级顺序进行优化设计。