随着我国公路建设规模的日益扩大，公路隧道建设取得了很大的发展。然而，由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，不少公路隧道衬砌背后的围岩产生各种各样的缺陷，导致隧道建成后，出现各种各样不同程度的病害，这给公路运输带来了安全隐患。本文以慈母山隧道为背景，采用数值模拟的方法重点研究了隧道建成后，拱顶衬砌背后存在不同形状、不同尺寸的空洞时隧道结构的力学性态；通过运用有限元强度折减法计算隧道结构存在不同空洞时的安全系数，进而综合评价隧道结构的整体稳定性。针对隧道衬砌背后存在不同形状、不同尺寸空洞时施工力学特性复杂的特点，本文结合工程实例，采用数值模拟手段进行三维弹塑性分析。本文主要分析在隧道横断面上呈台梯形、矩形及三角形等不同形状的空洞。针对每一种空洞形状，本文分别建立空洞在不同临空高度、不同环向宽度、不同隧道纵轴线方向长度的仿真模型。分析得到了在不同工况下，隧道围岩体的位移应力变化规律及空洞下方初期支护的拉压应力变化规律。当衬砌结构背后存在空洞时，引起围岩应力的重分部，分部规律更加复杂。因此，综合评价空洞对隧道结构的整体稳定性，不能单纯分析结构体的应力应变情况。本文特引入有限元强度折减法采用特定的收敛准则计算得出隧道结构的安全系数，研究空洞对围岩结构失稳破坏的作用规律。为了分析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。研究计算结果表明：在Ⅳ级围岩条件下修筑隧道，当衬砌结构背后存在局部空洞时，空洞对整个结构体的位移及空洞附近围岩压应力影响不大；当空洞的各向尺寸减小时，空洞下方初支应力有不同程度的降低，而空洞环向尺寸的变化对初期支护受力影响最大；给出了隧道结构受力发生转折时的空洞环向尺寸为4.0m。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性系数影响程度由大到小依次为：环向、纵向、高度方向。其中，当空洞环向宽度达到4.0m时（即圆心角为30°时），隧道结构安全系数降低较明显。