随着我国越来越多的隧道投入到运营中，病害隧道的出现也越来越引起人们的关注。故选取对隧道稳定性影响较大的病害——空洞作为研究对象。本文以小垭口隧道为背景，采用数值模拟的方法研究运营隧道拱顶二次衬砌背后存在不同形状、不同尺寸的空洞对隧道结构的力学影响；并运用计算混凝土的极限抗拉压强度的方法分析研究不同工况下空洞对隧道结构影响的安全系数，并针对不同类型的空洞提出相应的处治措施。本文将隧道拱顶空洞在横断面上简化为矩形和三角形两种不同的形状。主要针对这两种形状空洞的三方面变化情况进行研究分析：竖向高度变化、环向宽度变化、纵向长度变化。通过这三种不同工况的分析得出隧道围岩体的位移应力情况及空洞下方二次衬砌的拉压应力变化情况。当二次衬砌结构背后存在空洞时，围岩的应力将变的更为复杂。因此为了更全面的分析空洞对隧道结构的整体稳定性的影响，本文特引入混凝土的极限抗拉压强度分析得出隧道结构的安全系数，研究空洞对围岩结构稳定性的影响规律。为了分析在隧道运营过程中空洞对围岩体的影响，进行了依托工程隧道在不同空洞条件下的围岩和支护结构变形及受力特性分析。结果表明：①在Ⅴ级围岩条件下修建隧道，当二次衬砌结构拱顶背后存在空洞时，空洞对整个结构体的位移及空洞附近围岩拉压应力影响不大；②当空洞的各向尺寸减小时，空洞下方二次衬砌应力有不同程度的降低而空洞环向尺寸的变化对衬砌支护结构受力影响最大；③并得出了空洞环向尺寸为隧道内轮廓线的1/7时隧道结构受力发生转变。最后总结出空洞对隧道结构安全性影响规律大致如下：不同方向空洞尺寸对结构安全系数影响程度由大到小依次为：环向宽度、纵向长度、竖向高度。其中，当空洞环向长度达到隧道内轮廓线的1/7时，隧道结构安全系数降低较为显著。