随着我国公路建设的发展,高速公路隧道工程日益增多,然而隧道支护结构的设计仍然采用传统的设计方法,导致安全系数普遍偏大,不能充分兼顾经济和结构安全稳定的要求,达不到既经济又合理的目的。针对传统隧道支护结构,有必要提供新的优化设计方法。鉴于此,本文结合水塘隧道仰拱底鼓隆起断面的支护结构,运用拓扑优化理论,对隧道支护结构进行优化设计。主要研究内容和结论如下:(1)总结国内外软岩隧道的研究现状,分析隧道仰拱破坏的原因和隧道仰拱的力学模型,探讨了隧道断面仰拱型式优化对软弱围岩隧道整体结构受力及安全性的重要影响。(2)基于拓扑优化基本理论,针对水塘隧道仰拱破坏严重断面,结合现场工程概况和实测分析结果,对隧道仰拱底鼓隆起断面型式进行拓扑优化分析,确定隧道仰拱结构合理的曲率半径;对比优化前后隧道仰拱关键部位安全系数,论证了拓扑优化理论在隧道结构优化设计的可行性,为水塘隧道仰拱隆起病害整治提供了理论指导。(3)运用拓扑优化理论,对长沙地铁一号线下穿重点建(构)筑物典型断面地层加固圈进行数值仿真,确定了地层加固圈合理位置和范围,确保了地铁盾构顺利施工及建(构)筑物的安全。