随着我国高速公路大规模建设的日益发展，公路隧道的建设取得了非常大的进步。然而，由于公路隧道的特殊性，受气候条件、地形条件、地质条件及设计、施工、运营管理、维修加固过程中各种不利因素的影响，很多公路隧道初期支护衬砌背后的围岩出现了各式各样的空洞，致使公路隧道建好后，隧道结构出现了不同程度繁琐多变的病害，这给公路隧道正常运输带来了极大的安全隐患。针对隧道初期支护背后存在多种尺寸、多种形状空洞时对隧道整体结构的影响，本文结合已建隧道工程实例，采用数值模拟方法对慈母山2号隧道建立三维弹塑性有限元模型进行分析。本论文主要研究在隧道拱顶、拱腰位置处呈三角形、矩形及梯形等形状的空洞对隧道整体结构的影响。对于每一种空洞类型，分别建立不同径向长度、不同高度、不同环向宽度空洞的有限元模型。在此不同工况下分析得出隧道围岩体的位移、应力变化规律及各种空洞下方初期支护的拉应力、压应力变化规律。当初期支护结构背后产生空洞时，将会引起围岩应力的重新分部，致使分部规律更加复杂多变。不能仅仅分析隧道结构体的应力应变大小。还得研究、分析空洞对隧道整体结构失稳破坏的变化规律。所以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，才能综合评价空洞对隧道整体结构的影响。研究结果表明：在Ⅳ级围岩条件下修建隧道，当初期支护结构背后存在不同形状、不同尺寸的空洞时，空洞对附近围岩压应力及空洞隧道整体的位移影响比较小；当空洞的体积增大时，空洞下方的初支应力也会有不同程度的增大，而环向尺寸发生变化的空洞对初期支护应力影响最大。最后得出隧道整体结构受不同尺寸、不同形状空洞影响规律大致如下：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：径向、高度、环向方向。且当空洞环向宽度为5.0m时，隧道结构安全系数降低较明显。