本发明涉及桥梁加固工程技术领域，特别涉及一种上承式空腹拱桥拱圈结构加固结构及其施工方法。所述的一种上承式空腹拱桥主拱圈结构加固结构包括粘贴于主拱圈下表面的碳纤维加固层，设置碳纤维加固层之下的钢筋混凝土结构层，以及覆盖于主拱圈上表面的复合材料保护壳；所述复合材料保护壳，包括两端设有榫卯口的平板、弧形立板、弧形边板和卡榫；所述复合材料保护壳通过榫卯组合成不同的截面，兼具混凝土模板和拱顶面保护层作用。本发明通过采用兼具永久性模板功能的高性能耐久性防护层和拱圈带肋钢筋混凝土结构体系，大大简化了跨河拱桥拱圈结构加固施工难度，同时可不用断路施工，且广泛适用于跨河拱桥结构加固施工。