随着我国西部建设的高速发展和山区高速公路建设的需要，隧道工程特别是山区高速公路隧道工程将会日益增多，隧道支护结构的设计若仍采用传统的隧道支护结构设计方法将难以充分兼顾支护结构断面经济上的合理性和支护结构承载力与稳定性的可靠性，往往安全系数偏大，不能达到“最优设计”的目的。本文针对我国公路隧道多为大跨度、扁平、几何形状呈多样化的特点，通过深入分析目前隧道支护结构设计中存在的各种问题，抓住高等级公路长大隧道设计中隧道结构断面的优化选型及隧道支护结构的稳定性与承载能力两个核心问题，引入结构优化理论中的简易复合形优化方法，深入探讨了满足建筑限界、通风条件、受力状态约束等条件下公路隧道衬砌断面优化设计模型，提出了三种衬砌断面形状(单心圆、坦三心圆和尖三心圆)的优化选型方法，建立起一套完善的高等级公路长大隧道的系统优化设计理论与方法，并开发出相应的计算机程序，用于拟建的上海至瑞丽国道主干线湖南省邵阳至怀化高速公路雪峰山长大高速公路隧道的结构断面优化选型，得出了一系列较为合理的支护结构设计参数。此外，本文采用随机有限元方法，将围岩容重、侧压力系数、垂直荷载高度或埋深、围岩的弹性抗力系数、支护结构的弹性模量、混凝土容重、结构的厚度以及混凝土的抗扭与抗压强度等与衬砌结构有关的几何与物理力学参数作为随机变量，应用蒙特卡洛理论进行计算机随机取样，对雪峰山隧道模注混凝土衬砌的承载力与稳定性的可靠度进行了初步评估，得出了衬砌的相关位移与内力的均值和方差，并计算出了相应的衬砌结构可靠指标。本研究成果和编制的计算机软件可为雪峰山隧道后续设计与施工，以及同类工程的设计及施工提供指导性的参考和辅助设计工具。