为了对公路隧道二次衬砌受力及结构优化设计进行研究，本文以包家山公路隧道、明垭子公路隧道和刘家坪隧道群为依托，通过现场监控量测方法，对岩质隧道和黄土隧道的二次衬砌分担围岩压力比例进行研究；通过有限元数值模拟方法，对二次衬砌安全性及结构优化设计进行研究，主要结论及成果如下：（1）通过现场监控量测，得出岩质隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩深埋段二次衬砌分担围岩压力比例均值分别为23.6%和38.2%；黄土隧道Ⅳ级围岩深埋段以及黄土隧道Ⅴ级、Ⅵ级围岩浅埋段二次衬砌分担围岩压力比例均值分别为39.9%、43.5%和48.8%。（2）通过有限元数值模拟，得出二次衬砌拱顶、拱腰、墙脚、仰拱靠边墙侧以及仰拱中央附近是受力最不利的位置；分析侧压力系数λ变化对深埋隧道二次衬砌受力、变形及安全系数的影响，得出在一定范围内，二次衬砌的安全性随着侧压力系数λ变大而增加；根据设计规范，给出岩质隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩深埋段以及黄土隧道Ⅳ级围岩深埋段二次衬砌受力最不利的侧压力系数λ分别为0.15、0.30和0.15。（3）分析混凝土强度等级与二次衬砌耐久性的关系—混凝土的强度偏低对耐久性不利，并结合我国公路隧道设计状况，提出用C30混凝土替代C25混凝土，来改善二次衬砌的耐久性，延长隧道的养护周期和使用寿命。（4）在C30混凝土替代C25混凝土的条件下，分析二次衬砌厚度对结构安全性的影响，得出随厚度的增加，拱顶、拱腰、墙脚、仰拱靠边墙侧的安全系数呈非线性增加趋势，而仰拱中央的安全系数呈线性增加趋势；给出岩质隧道（Ⅳ级、Ⅴ级深埋）、黄土隧道（Ⅳ级深埋，Ⅴ级、Ⅵ级浅埋）二次衬砌最小安全厚度。