Каковы недостатки этого шаблона для обеспечения неизменности?

Просто используйте ReadOnlyDictionary и выделите его только один раз:

public static class ComboModel {
    private static readonly ReadOnlyDictionary<int, int[]> _items = new ReadOnlyDictionary<int, int[]>(new Dictionary<int, int[]> {
        {
            1,
            new[] {
                2,
                3,
                4
            }
        }
    });

    public static IReadOnlyDictionary<int, int[]> Items
    {
        get { return _items; }
    }
}

Обратите внимание, что вы не только выделяете новый экземпляр при каждом вызове, как уже упоминалось другими, но вы также даете вызывающему абоненту неправильное ощущение, что он может изменить этот словарь. В ReadOnlyDictionary нет методов, которые могут его модифицировать. Есть и другие преимущества, когда вызывающая сторона знает, что полученная структура не может быть изменена: например, он может безопасно обрабатывать элементы в нескольких потоках.

Обновление: конечно, коллекции только для чтения волшебным образом не делают объекты, хранящиеся в этих коллекциях, доступными только для чтения - только сама коллекция. Если вы хотите обеспечить неизменность массивов int[] в своем примере, просто сделайте их доступными только для чтения:

public static class ComboModel {
    private static readonly IReadOnlyDictionary<int, ReadOnlyCollection<int>> _items = new ReadOnlyDictionary<int, ReadOnlyCollection<int>>(new Dictionary<int, ReadOnlyCollection<int>> {
        {
            1,
            Array.AsReadOnly(new[] {
                2,
                3,
                4
            })
        }
    });

    public static IReadOnlyDictionary<int, ReadOnlyCollection<int>> Items
    {
        get { return _items; }
    }
}