随着我国交通事业的快速发展,公路隧道工程的数量和里程数都在节节攀升,隧道建设技术也发展到了新的高度,但与此同时隧道建设和运营期间遇到复杂地质条件时,其稳定性与安全性也在遭受着很大的挑战。富水岩溶地区隧道衬砌背后高水压力是引起隧道病害的重要原因之一,尤其是在隧道运营过程中,随着岩溶地质的发育,加上排水不畅时形成强大的高水压力,极易导致隧道衬砌的破坏,严重时会危及到隧道的安全运行。鉴于此,本论文以重庆铜西隧道为工程背景,针对实际工程发生的突涌水与衬砌致裂破坏等病害,通过建立隧道衬砌计算模型,推导出外水压力作用下衬砌内力及变形位移的函数表达式,同时结合重庆铜西隧道段水文地质参数,通过相似模型试验对高水压作用下衬砌受力特征和破坏规律进行了分析,并根据试验成果利用有限元数值模拟对实际工程进一步研究分析,主要研究内容及成果如下:（1）基于荷载-结构计算理论,建立简化后的弹性抗力分布计算模型,利用结构力学相关知识推导出了衬砌内力与位移的函数关系,并建立柔度系数δij与外荷载产生的位移ΔiP、抗力产生的位移Δiσ的函数关系,得到了衬砌结构任意截面的弯矩函数,通过弯矩函数得到任意截面的变形位移函数,最终利用Mathematic软件编程进行多次迭代,求得了实际工程局部水压作用时衬砌抗力与变形位移分布规律。（2）基于相似理论和量纲分析推导出了相似材料的相似常数,并通过材料物理力学性质试验确定了模型围岩及二衬结构的相似材料种类、配比及其物理力学参数。（3）自主研发了模型试验平台,利用土压力加载装置和局部水压加载装置分别模拟隧道围岩压力和局部水压力,并设计制定数据采集流程和整体试验方案,通过相似模型试验得到了变水头作用下隧道围岩-衬砌接触压力分布规律、衬砌内力变化规律及衬砌破坏形态。（4）基于模型试验分析结果,建立相似工况数值模型,得到了模型试验-数值模拟内力分布变化对比曲线,验证了数值模拟的适用性及可靠性。（5）基于Midas/GTS平面应变基本理论,利用GTS有限元模拟软件建立了54组计算阶段,考虑衬砌排水系统堵塞的情况下,分析并获得了实际工程运营隧道在不同位置承受不同大小及不同荷载宽度水压力作用下,隧道衬砌结构的受力特征、变形位移以及安全系数的变化规律。