不同类型的隧道衬砌结构适用于不同的隧道围岩条件，如直边墙式隧道衬砌适用于围岩条件较好和无侧压力或侧压力较小的隧道；曲边墙式隧道衬砌适用于围岩条件复杂和侧压力较大的隧道；曲边墙加仰拱式隧道衬砌适用于围岩侧压力较大，且基底松软或有较大的底压力的隧道。

结构隧道衬砌一般是由拱、边墙（直边墙或曲边墙）、仰拱或铺底等部分组成（见图）。

隧道衬砌结构根据使用要求和围岩的特性而有不同的衬砌内轮廓，从而定出宽度、高度、形式和衬砌截面及厚度。中国根据隧道围岩的稳定性及其结构特征和完整状态,把围岩划分为六类。属于围岩稳定、无坍塌,呈巨块状整体结构的属Ⅵ类；围岩极易坍塌，呈泥砂角砾或易蠕动的松散结构的定为Ⅰ类。其他类别围岩则依次介于Ⅵ类和Ⅰ类之间。中国的单线和双线铁路隧道衬砌，在各类围岩条件下的衬砌主要形式和尺寸见表

衬砌设计根据隧道围岩特征和使用要求，需应用隧道衬砌理论和相应计算方法，确定隧道衬砌的形状、尺寸，以及衬砌用料和施工方法等。

隧道衬砌作为支护的基本理论是把隧道围岩和衬砌作为相互有联系的统一体，即隧道围岩不仅作为一种压力作用在衬砌上，而且作为一种介质与衬砌共同作用。围岩压力从广义上讲是围岩原来应力状态受到隧道开挖扰动后出现的应力重分布状态，其大小同应力重分布过程、围岩特征、衬砌刚度、隧道埋置深度及施工技术等有关。

在这一理论特征基础上，建立了许多围岩压力和衬砌计算理论派别。如以K.泰沙基为代表的松散介质平衡理论认为，隧道衬砌上方土体在垂直下沉时，将受到侧向土压的约束而产生卸荷作用；以M.M.普罗托季亚科诺夫为代表的压力拱假定理论认为，隧道衬砌上方的围岩到一定范围后能够自稳形成压力拱，衬砌只承受压力拱以下的围岩重力；以温克列尔为代表的衬砌计算局部变形假定理论则认为，衬砌和围岩共同作用过程中，相互间力和变形的规律，符合线性关系，类似各自独立的弹簧作用系统。如此各种衬砌计算理论，都相应地建立了各种衬砌计算方法。目前，各种计算方法可归纳为四类：①超静定反力法，是把围岩和衬砌作为超静定系统进行计算的方法；②复合整体法，是把围岩和衬砌作为复合体进行计算的方法；③特性曲线法，以围岩和支护各自的径向位移曲线作出发点进行分析计算的方法；④经验法，按已有工程经验进行的计算方法。

标准断面由于隧道围岩各有特性，而影响其稳定性的因素又来自多方面，所以各种衬砌计算方法中的参数难以测出精确值，衬砌实际设计和计算尚属于经验性的范畴。

为了简化隧道衬砌的设计和计算工作，一般按照围岩分类，在广泛技术经济比较基础上，经过计算优化过设计出相应的衬砌类型，并且加以系列化供全国或地区范围内隧道衬砌设计时广泛使用。这样编制出来的衬砌，被称为标准断面。标准断面的使用，也为施工和日后养护提供了方便条件。

衬砌施工方法隧道衬砌采用的建筑材料不同，其施工方法也往往不同，如用砖、料石、混凝土块作衬砌材料，一般采用砌筑法或拼装法施工；用混凝土和钢拱架作衬砌材料，一般采用就地灌筑混凝土法施工。近年来，随着隧道力学的发展，广泛地采用新奥法。新奥法是奥地利学者所倡导的，因而得名。这种方法的要点是利用围岩的自支承能力,使衬砌负担减少,达到安全、经济目的，而喷锚能及时支护围岩，使围岩保持自稳。通常把锚杆和喷混凝土作为第一次支护，根据量测信息再灌筑混凝土作为第二次支护，形成复合式隧道衬砌，所以喷锚和量测信息构成新奥法的要素。新奥法具有支护及时、灵活、安全的特点,并在衬砌中可设置防水层,有利于提高衬砌的防水性,因而受到各国的重视。但是,新奥法目前尚存在一些有待解决的问题，如对围岩应力重分布中的变形量测控制；隧道岩层有大面积漏水时，喷混凝土工作会发生困难，且浆液可能被冲掉；又如喷混凝土的回弹量较大，喷射质量也不易控制等。