单层衬砌是在隧道内架立模板架和模板，然后浇筑混凝土。它作为永久性支护结构，是从外部支撑围岩的。单层衬砌按传统松弛荷载理论设计，其结构层次单一、直观，易于理解和施作，在20世纪90年代以前的隧道工程中应用较多。但其形状（弧度）和厚度比较复杂，变化较多，受力不太合理，经济性也较差，现在已经很少使用。

由于单层衬砌主要通过调整衬砌断面形状（弧度）和厚度来适应不同级别的围岩和围岩压力分布情况，因此，单层衬砌的形状（弧度）和厚度变化较多。就形状而言，单层衬砌常分为直墙式衬砌和曲墙式衬砌两种形式；就厚度而言，单层衬砌厚度薄者40～60 cm，厚者可达100 cm以上。

1.直墙式衬砌

在地质条件比较好的Ⅱ、Ⅲ级围岩中，岩体坚硬完整，围岩压力以竖向压力为主，水平侧向压力较小，可采用直墙式衬砌。从横断面上来看，直墙式衬砌由上部拱圈、两侧直边墙和下部底板（公路工程中习惯称其为调平层）三部分组合而成。整个结构的下部是敞口的，并不闭合，仅在底部以素混凝土铺底形成底板，以便铺设轨道或路面。上部拱圈以大小不等的半径分别做成三段圆形弧线，正中约90°范围内用较小的半径，两边用较大的半径，总体看来，其矢跨比较大。早年为了施工方便，上部拱圈多采用半圆形，但有不少拱圈出现内缘开裂现象，为改善结构受力状况，后改为尖拱。

拱圈是等厚的，所以外弧的半径增加了一个拱圈厚度的尺寸。由于它们是同心圆弧，所以内外弧的圆心是重合的。两侧边墙是与拱圈等厚的竖直墙，与拱圈平齐衔接。因洞内一侧设有排水沟，所以有水沟一侧的边墙要深一些。在地质条件较好、侧压力不大，但又不宜采用半衬砌时，为了节省边墙圬工，可以简化边墙。简化的方法有两种：一种是降低边墙建筑材料的等级，如将混凝土边墙改为石砌边墙；另外一种是采用柱式边墙或连拱式边墙，统称为花边墙。柱式边墙是做一排间隔均匀的立柱，其间是孔洞，立柱的高度一般不宜小于3 m。连拱式边墙做成带支墩的连拱形式，支墩的纵向尺寸不小于2 m，墙上拱形孔洞的纵向跨度不宜大于5 m，墙拱顶至拱圈起拱线的距离不宜小于100 cm。

在地质条件好、岩层坚硬完整且没有地下水侵入的情况下，边墙部位围岩水平侧压力很小，可省去两侧边墙衬砌，只设上部拱圈衬砌，称之为半衬砌。此时，为了保证洞壁岩体有足够的能力支承拱圈衬砌传来的压力，在洞壁顶上应留15～20 cm的平台。如不设边墙，则应在两侧岩壁表面喷浆敷面，以保护岩面不受风化作用而剥蚀，也可以阻止少量地下水的渗透。(www.daowen.com)

2.曲墙式衬砌

在地质条件比较差的Ⅲ～Ⅴ级围岩中，岩体松散破碎，围岩压力比较大，当有地下水时，可采用曲墙式衬砌。

曲墙式衬砌由上部拱圈、两侧曲边墙和下部仰拱（或底板）组合而成。上部拱圈的内轮廓与直边墙衬砌的一样，但拱圈截面厚度是变化的，拱顶处薄而拱脚处厚。因此，不但拱部外弧与内弧的半径不同，而且它们的圆心位置也是相互不重合的。侧墙内轮廓是一段圆弧，半径较大；侧墙外轮廓上段也是一段圆弧，但半径更大，其下段变为直线形，稍稍向内偏斜。

对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，如果有地下水，可能会产生基础下沉的情况，则必须设置仰拱，且曲墙底面应予以加宽（厚度），以抵抗上鼓力，防止结构整体下沉。仰拱是用另一个半径做出的弧段。在Ⅴ、Ⅵ级围岩中，当有地下水时，竖向压力和水平压力都很大，上鼓力较大，则衬砌宜设成近圆形（蛋形）或圆形断面。在Ⅲ、Ⅳ级围岩中，无地下水，基础无沉陷危险，且无上鼓力时，可以不设仰拱，只设底板。