随着山区高速公路的建设和西部地区经济的高速发展，穿越黄土地区的公路隧道日益增多。由于黄土特殊的工程性质和隧道工程的复杂性，通过工程类比法修建的黄土隧道在施工和运营期间出现了许多病害，对黄土隧道的支护结构优化设计需要进行深入研究。本文结合大量已建的黄土隧道，通过资料调研、理论分析和数值模拟的方法对黄土公路隧道的初期支护体系提出采用钢管混凝土代替钢拱架，增加初期支护厚度，采用模筑混凝土代替喷射混凝土的优化设计思想，采用MIDAS/GTS大型有限元软件建立平面有限元模型，对钢管的型式和尺寸进行正交试验，分析初期支护中不同钢管尺寸对围岩和隧道的影响性状，并结合工程经济性推荐钢管的型式和尺寸。对比原设计和优化设计假定抗力法计算的初期支护安全系数，并用有限元模拟原设计和优化设计的支护效果，结果表明优化设计结构的安全性和围岩的位移和塑性区都得到了有效的控制。采用MIDAS/GTS有限元软件建立隧道开挖支护完成后浸水模型，对浸水条件下新型支护结构的安全性进行评价。结果表明：浸水降低了围岩的自承能力，使围岩整体产生了竖向位移，浸水使围岩应力再次重新分布，隧道周边出现了应力集中，浸水后围岩塑性区的面积和最大塑性应变值也都有所增大。对于支护结构，浸水后仰拱的轴力增加较大，其他部位的轴力和弯矩受浸水影响较小。浸水对优化设计的影响幅度大于原设计，但是优化设计的支护效果仍优于原设计。