目前，随着高速公路隧道的大量建设与投入运营，隧道衬砌的质量问题愈发凸显，采用无损检测技术进行定期的衬砌质量检测也极为广泛。公路隧道建设高峰期一旦结束，大量已投入运营的公路隧道将面临养护维修工作。所以，地质雷达技术在隧道衬砌质量检测的应用须进行更深入的细化研究；同时，鉴于隧道衬砌质量评估体系尚待完善及养护技术尚有不足，基于地质雷达检测数据基础的隧道衬砌质量的力学性能研究与衬砌质量评估，也已成为极为重要的研究方向。　　根据大量公路运营隧道衬砌质量检测数据可知，隧道衬砌常见的病害主要有裂缝、渗漏水、衬砌剥落、衬砌背后空洞等。其中，衬砌背后空洞及衬砌施工过程中浇筑不当出现的衬砌空洞极为普遍，尤其是衬砌拱顶区；这些空洞的存在不仅直接削弱了衬砌的厚度和承载截面面积，同时会引发裂缝、空洞积水、腐蚀钢筋等病害，危害性极大。所以，本文主要针对公路隧道施工引起的二次衬砌空洞进行了地质雷达检测研究及支护初期和围岩长期蠕变作用两种情况下衬砌存在空洞缺陷时的应力与应变情况。　　论文首先对地质雷达技术在隧道衬砌质量检测的应用进行了试验模拟研究，从素混凝土和钢筋混凝土两种情况对不同形状、尺寸、埋深和不同积水状态的空洞进行了检测，并基于时域有限差分（FDTD）理论对隧道素混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌的空洞病害在形状、尺寸、埋深、积水等方面进行了二维仿真模拟研究，探讨验证了地质雷达技术在公路隧道衬砌空洞病害检测方面的应用的可行性及其对后期评估的重要性。同时，通过地质雷达在运营高速公路隧道的衬砌质量检测的实际应用与检测结果，分析了运营高速公路隧道的衬砌空洞缺陷情况。并且依据实际工程的地质、设计、施工和检测资料，基于地层—结构法和FLAC3D软件对隧道带空洞衬砌在支护初期与围岩长期作用两种情况下的应力应变情况进行了三维数值模拟分析，总结了拱顶位置存在不同高度和连续长度空洞时拱顶衬砌的应力变形规律，从而对该运营高速公路隧道衬砌空洞缺陷的程度进行了评价。