In underground tunnels made using tunnel boring machine (TBM), the lining is constituted of precast concrete tunnel linings (PCTL) segments. Such PCTL are subjected to corrosive environment especially where they are exposed to wastewater or aggressive soil. Rehabilitation or renovation of corroded reinforced concrete (RC) tunnel segments is accompanied by problems such as very high cost, difficulty and serviceability interruption. An alternative approach to deal with corrosion problem in conventional RC tunnel segments is the use of glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars as a substitution of conventional steel reinforcement. Application of GFRP bars in tunnel segments requires a comprehensive research program for experimental, and analytical investigation of GFRP-reinforced PCTL segments. In this project, novel PCTL segments were tested under three-point bending load. Different parameters of longitudinal reinforcement ratio, size and spacing, configuration of transverse reinforcement (closed stirrups and U-shape stirrups) and type of concrete (normal-strength, high-strength and fiber-reinforced concretes) were considered in the experimental program. In order to achieve the objectives of the experimental phase, a total of 12 full-scale tunnel segments were tested. The segments had parallelogram shape with the arc length of 3100 mm, width of 1500 mm and thickness of 250 mm. The experimental results were evaluated through cracking behavior, failure mechanism, load carrying capacity, serviceability, load-deflection behavior, strain analysis, ductility, and deformability. The experimental program was followed by analytical investigation to evaluate existing models and propose new models to predict flexural strength, shear strength, crack width, deflection and interaction diagrams. In addition, newly developed models were provided to consider the effect of curvilinear shape of a segment on its flexural and shear strength. According to the test results, GFRP, Dans les tunnels souterrains réalisés à l’aide de tunnelier (TBM), le revêtement est constitué de voussoirs de revêtement de tunnels en béton préfabriqué (RTBP). Ces RTBP sont soumis à un environnement corrosif, en particulier lorsqu'ils sont exposés aux eaux usées ou au sol agressif. La réhabilitation ou la réparation des voussoirs de tunnels en béton armé corrodés s'accompagne de problèmes tels que des coûts très élevés, des difficultés et des interruptions de service. Une approche alternative pour traiter le problème de corrosion dans les voussoirs de tunnels en béton armé (BA) conventionnels est l'utilisation de barres d’armature en polymère renforcées de fibres de verre (PRFV) en remplacement de l’armature en acier conventionnelle. L'application de barres PRFV dans des voussoirs de tunnels nécessite un programme de recherche complet pour une étude expérimentale, analytique et théorique sur des voussoirs de revêtement de tunnels en béton armé de PRFV. Dans ce projet, de nouveaux voussoirs de revêtement de tunnels en béton préfabriqué ont été testés sous une charge de flexion en trois points. Différents paramètres tels que le taux d'armature longitudinale, le diamètre et l'espacement des barres, la configuration d'armature transversale (étriers fermés et étriers en U) et le type de béton (béton normal, béton à haute résistance et béton fibré) ont été pris en compte dans le programme expérimental. Un total de 12 voussoirs de revêtement de tunnels en béton préfabriqué (RTBP) grandeur nature ont été testés. Les voussoirs avaient une forme de parallélogramme avec une longueur d'arc de 3100 mm, une largeur de 1500 mm et une épaisseur de 250 mm. Les résultats expérimentaux ont été examinés à travers le comportement de fissuration, le mode de rupture, la charge de rupture, les états limites de service, le comportement charge-déformation, la ductilité et la déformabilité. Des études analytiques ont été menées pour évaluer les modèles existants et proposer de nouveaux mod