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衬砌背后空洞是公路隧道常见的隧道病害，如何评价背后空洞对衬砌结构安全性影响是隧道工程师面临的难题。利用接触方法模拟衬砌结构与围岩结构的相互作用，利用单元生死方法模拟隧道衬砌背后空洞的形成过程，建立了包含衬砌背后空洞的三心圆拱隧道计算模型，分析了隧道衬砌背后空洞深度、环向宽度和位置等病害特征参数对隧道结构安全性的影响，研究结果表明：衬砌背后空洞深度小于0.5m时，衬砌结构的安全性主要由空洞环向宽度和空洞位置决定；而当空洞环向宽度大于2.0 m时，衬砌结构安全系数迅速降低。该成果可对存在衬砌背后空洞隧道的病害检测、状态评定及病害处治提供一定的依据和参考。