由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响,导致隧道建成后,出现了不同程度的病害,给公路运输带来了安全隐患。目前隧道衬砌病害对在役隧道结构安全性影响的定量分析还不是很充分,尚缺少能够用于在役隧道安全性评价的定量病害标准。本文首先对拱顶部存在空洞的衬砌试验进行了数值模拟,分析了含顶部空洞衬砌在不同载荷比下的变形、内力特征,并与试验结果进行了对比。其次本文选取了典型隧道,利用《公路隧道设计规范》计算了衬砌工作状态下的设计载荷,采用载荷结构法和ABAQUS软件建立了无损衬砌、含背后空洞衬砌、含局部厚度不足衬砌、含混凝土强度劣化衬砌和含衬砌裂缝四种有限元分析模型,其中衬砌背后空洞模型的建立采用去除空洞部分对应载荷及支撑弹簧的方式。衬砌背后空洞的计算中共采用了25种工况,衬砌厚度不足共采用了16种工况,混凝土强度劣化采用了5种工况,衬砌裂缝采用了20种工况,分别研究了不同程度病害发生位置于拱顶、拱腰、边墙和拱脚时衬砌的变形、内力及安全系数。计算结果表明病害位置和病害程度对衬砌安全性的影响显著,随着病害程度的增加,结构的安全性单调下降,其中拱脚处的病害是最不利的,拱脚空洞和拱脚处的厚度不足及裂缝会引起衬砌结构安全系数的急剧下降,此外靠近拱顶处的空洞和裂缝也会引起衬砌结构安全系数较大幅度的下降。最后本文对数值计算结果进行了数据拟合,得到了病害程度与衬砌整体安全性下降程度的关系,并给出了关于衬砌病害定量评价的推荐分级标准。