本发明公开了一种穿越巨型溶洞的一体化结构体系及其施工方法，该结构体系包括顶部加固结构，用于加固溶洞大厅顶部；基底加固结构，用于加固溶洞大厅的弃渣回填体的开挖基底；挡护结构，设于弃渣回填体上并连接于溶洞大厅顶部，挡护结构底部设有竖向注浆通道，竖向注浆通道沿线方向呈间隔布置，竖向注浆通道伸入基底加固结构所在的弃渣回填体中；桥梁结构，设置在挡护结构与溶洞大厅顶部岩壁之间范围内，为列车及道床荷载承载结构；轻型钢棚洞结构，底部两端支承于桥梁结构之上。本发明各结构受力明确，荷载分开传递，避免结构的不均匀沉降，保证运营期间的安全。