隧道衬砌拆换作为病害处置的重要措施，目前处于工程探索阶段。研究基于某受损隧道病害整治工程，建立三维数值模型模拟隧道衬砌拆换全过程并与现场实测数据进行验证，通过参数反演确定围岩和初支合理的应力释放率，探究病害公路隧道衬砌拆换的力学响应特征与稳定性控制方法。结果表明：（1）随着二衬拆换的进行，隧道拱顶沉降、拱底隆起、拱腰收敛曲线形状经历单峰-多峰-“齿状”平台变化过程，后续段落的拆除导致先拆段拱顶沉降和拱底隆起变形量增大，拱腰收敛变形量减小；（2）二衬拆除导致靠近拆除段的未拆换二衬拱腰位置出现压应力集中现象，最大主压应力可达34.3 MPa,二衬浇筑完成后，最大主压应力降至28.0 MPa;（3）二衬拆除导致临近未拆换二衬的安全系数降低，靠近拆换段的二衬由于应力集中，安全系数最小。（4）拆换受力较大的二衬存在一定风险；随着围岩注浆范围的增大，拱顶沉降逐渐减小，注浆效率降低；随着单次拆换距离增加，拆换段两端二衬的约束效果减弱，拱顶沉降值呈现“先快后慢”的增长规律，最后趋于定值。