本发明公开了一种新型隧道夹心式隔温衬砌结构及其施工方法。现有夹心式隔温衬砌中，隔温层刚度与隔热性能间存在矛盾。本发明隔温衬砌结构包括围岩、初支、二衬、隧道内部、第一道防水层、隔热材料和第二道防水层，二衬外侧为环状肋形结构，环状肋形结构包括沿隧道轴线方向间隔设置的凸起和凹槽；第一道防水层设于初支和二衬间；隔热材料设于二衬上的凹槽结构内；隔热材料与二衬的凹槽间设有第二道防水层，第一道防水层外侧设有透水土工材料。本发明中隔热材料仅承担很少量的法向荷载，隔热材料厚度可根据需要设计为较大值，从而实现更优的隔热性能，且可避免隔温层刚度不足以及压缩变形过大的问题。