隧道和地下工程的开挖是一个在时间和空间上不断变化的过程,而且施工难度大,造价高。近年来,随着我国经济的快速增长,城市地面公路的交通运输能力已远远不能满足人们的出行要求,交通拥堵现象是一个亟待解决的问题。地上发展已经饱和,需将眼光转向地下,公路隧道等轨道交通的兴盛为解决此问题提供了有力手段。再者,城市的快速发展对公路等级提出了更高的要求,前期城市基础建设投入的不足、超前意识的缺乏严重制约着城市的进一步发展,因此,眼光要长远,不能用静止的观点规划城市建设,重复投资是一种浪费,修建大跨度公路隧道体现了时代的要求。本文以兰州北环路九州隧道为依托,利用有限元分析软件MIDAS-GTS,建立弹塑性模型。首先研究大断面隧道不同围岩级别下,既能保持横断面受力稳定,又能节约工程造价的最优扁平率,其次分析复合式衬砌结构的受力特性。研究思想及得出的结论如下：(1)在研究最优扁平率时,鉴于九州隧道开挖时穿越了不同的地质层,取代表性的三组围岩及三组扁平率,组合出九种不同的围岩、断面；取断面上的标志点：拱顶、左右拱肩、左右拱角,将标志点的锚杆轴力、喷混轴力、喷混弯矩、衬砌位移作为评价指标,来评价围岩、扁平率组合下,既能维持断面受力稳定,又能节约经济的最优断面。分析发现,III类围岩,0.588的扁平率；及Ⅳ、Ⅴ类围岩中0.625的扁平率是满足上述要求的最优断面。(2)在研究复合式衬砌的力学特性时,根据《公路隧道设计规范》,九州隧道Ⅳ类围岩段中二次衬砌是承受荷载,为研究二次衬砌对结构整体稳定起到了怎样的有利作用；增加衬砌厚度是否就一定能保证结构稳定等问题,选取九州隧道Ⅳ类围岩段进行分析,取4组不同的二衬厚度：30cm、40cm、50cm,60cm、70cm,来研究二衬厚度变化引起结构整体受力的变化情况,仍然以标志点作为考察点,“窥一叶而知秋”。研究结果发现,衬砌的强度安全系数并非单纯的随着衬砌厚度的增加而增加,当厚度过大时,反而会按抗拉强度控制承载,由于混凝土的抗拉强度远远小于抗压强度,这种做法既不经济也不安全。