隧道作为一种人工开挖的处于天然地层中的地下结构物，由于施工、材料以及地质环境变化的影响，既有线的隧道在运营期间不可避免地会产生各种病害。其中的结构性的病害对隧道衬砌结构安全性影响尤为显著，对隧道安全可靠性的影响最大。本文以既有铁路京原线平型关隧道病害调查检测为工程背景，结合该隧道设计施工及竣工验收等相关资料，采用有限元数值模拟的方法，主要对平型关隧道衬砌裂缝及衬砌背后存在空洞这两种病害对隧道衬砌结构安全性的影响进行了全面的分析研究，得出了一些结论，可以作为该隧道病害整治的理论依据。本文主要进行了以下的研究工作并得出了一些结论：（1）通过现场病害调查检测，得到了平型关隧道衬砌开裂以及衬砌背后存在空洞的病害现状，为进一步的有限元模拟提供了计算所需的参数。（2）运用有限元数值分析法，采用接触单元来模拟隧道二次衬砌裂缝。对于在隧道不同位置存在同样深度的裂缝以及在隧道拱顶位置存在不同深裂缝时，对隧道衬砌结构安全性的影响进行了分析。采用格里菲斯（Griffith）准则来判定存在裂缝的隧道衬砌的结构安全性。（3）运用ANSYS有限元软件建立带裂缝的衬砌结构计算模型，求解出裂缝尖端附近的节点位移，求得裂缝尖端附近区域的应力强度应子，从而来判断带裂缝衬砌结构的安全性。（4）运用有限元数值分析法，对于隧道衬砌背后存在空洞的病害类型进行模拟，通过与衬砌背后无空洞的情况进行对比分析，得到了在衬砌背后不同位置存在空洞以及在隧道同一位置存在不同规模的空洞时对隧道衬砌结构安全性的影响。用衬砌结构安全系数来判定衬砌背后存在空洞的病害对衬砌结构安全性的影响。（5）通过数值模拟分析，得出裂缝深度对隧道衬砌结构的安全性影响显著，当裂缝深度为衬砌厚度的1/4时，衬砌结构裂缝部位达到临界安全状态。当裂缝的深度为衬砌厚度的3/4时，衬砌结构裂缝部位已完全进入破坏状态。衬砌背后空洞的规模对结构安全性影响较大，当衬砌背后存在空洞时，空洞部位的衬砌结构较无空洞时会产生较大的弯矩，使得弯矩受拉侧产生较大的拉应力，对隧道衬砌结构的安全性是极为不利的。同时也验证了衬砌结构与围岩密贴对隧道结构受力是非常有益的。本文的研究成果以及所采用的研究方法可为今后类似隧道病害整治工作提供参考与借鉴。