隧道衬砌是一种保持车辆运行所需空间、防止围岩风化和阻挡地下水侵蚀的结构,同时也是支持和维护隧道稳定的永久性结构,它具有足够的强度、抗冻性和抗渗性能。开展对既有隧道衬砌病害研究时,既要保证有效检测结构内部病害,又要保证不影响检测对象使用性能和不伤害检测对象内部结构,因此各种无损检测方法应运而生。目前在隧道结构检测中常用的无损检测方法主要包括回弹法、红外热成像法、超声回波法和探地雷达法。探地雷达法作为最具代表性的无损检测方法,被广泛应用于岩土工程勘察、工程质量检测、矿产勘查、灾害地质调查、建筑结构检测和考古等诸多领域,它的优点是效率高、精度高、抗干扰能力强并且不损伤结构。论文采用物理模型试验、COMSOL Multiphysics有限元正演模拟和数学形态学信号处理相结合的手段,开展既有隧道衬砌典型病害无损检测研究,并分析既有隧道衬砌典型病害图像特征。本文主要研究内容和成果如下:（1）通过查阅既有隧道衬砌典型病害的相关文献,分析既有隧道衬砌典型病害的形成原因,并根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）和《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）（J 449-2016）,建立既有隧道衬砌空洞和不密实两种典型病害的物理试验模型。分析物理模型中两种典型病害不同养护时间的探地雷达二维图像特征,并研究不同养护时间、不同切片深度的三维图像特征。（2）建立COMSOL Multiphysics有限元正演模型。有限元正演模型是一个尺寸为长×宽×高=1.2m×1.0m×0.6m的长方体,长方体模型中设置不同相对位置的空洞、不密实和裂缝病害模型,包括裂缝上下空洞病害、裂缝上下不密实病害四种模型。对四种模型进行入射过程与反射结果分析,研究表明,电磁波在不同病害模型中的入射和反射轨迹与物理模型试验基本一致。（3）基于数学形态学理论编写MATLAB信号处理程序。数学形态学图像处理基本运算包含腐蚀、膨胀、开运算和闭运算等,数学形态学图像重构原理分为选择和重建两个步骤,数学形态学顶帽操作分为顶帽开操作和顶帽闭操作。文中对隧道衬砌空洞和不密实两种典型病害的二维图像进行形态学基本运算与顶帽操作,结果表明经过顶帽操作处理后的二维图像中可以分辨出病害的形状和面积。