本发明公开了一种隧道分离式预制套衬结构及其施工方法，包括拱形隧道、防水层和装配式套衬；拱形隧道底面的两侧边沿固定有多根定位柱；防水层贴附固定在拱形隧道的原二衬上；装配式套衬包括弧形的侧支撑衬板和拱顶支撑衬板；侧支撑衬板的数量为多个，且分为两组布置在拱形隧道的两侧，每组的多个侧支撑衬板沿拱形隧道的长度方向依次贴合布置，侧支撑衬板的底沿与定位柱插接固定；拱顶支撑衬板的数量为多个，且沿拱形隧道的长度方向依次贴合布置在拱形隧道的拱顶，每个拱顶支撑衬板的两端端头分别卡接固定在两侧的两个相邻的侧支撑衬板顶端形成的槽口内；多个拱顶支撑衬板与两组多个侧支撑衬板错缝拼接组成与防水层贴合固定的拱形套衬结构。