随着经济的快速发展,公路交通量猛烈增加,单个的小断面隧道已无法满足公路交通的需要,解决这个问题的方法之一就是修建多车道的大断面公路隧道,如:单拱四车道公路隧道。如何充分利用现有设计理论和实践经验,来建造经济、安全、实用的单拱四车道公路隧道是广大科技工作者和工程界人士所关心的问题。本文以龙头山隧道为工程背景,基于现行的公路隧道结构设计规范,结合优化技术,对单拱四车道公路隧道结构优化进行了系统的研究,具体工作如下:(1)分析了大跨隧道力学特性影响因素,采用数值模拟计算分析了不同扁平率下隧道断面的力学响应和稳定性,得出其变化规律。分析了仰拱对大跨隧道力学特性的影响,并基于数值分析探讨了在围岩较好情况下取消仰拱的可行性。分析了拱部衬砌结构极限承载力,结果表明:三心圆的拱形衬砌结构的临界荷载与矢跨比及边界条件有关,拱端的约束决定着拱的最大承载能力,而矢跨比则控制着一定条件下拱的承载能力的发挥程度。(2)利用FORTRAN语言实现了隧道断面优化选型。引入结构优化理论中的复合形法,建立优化数学模型,通过优化计算得到了较为合理的断面形状,改善了墙脚处衬砌结构的受力状态。通过分析软基与隧道结构稳定性的关系,提出了浅埋隧道仰拱荷载的确定方法,结合仰拱的施工工艺,建立了三铰拱仰拱力学模型,给出了合理拱轴线的方程和内力计算公式。利用试探算法,结合现行隧道结构设计规范,在保证隧道结构安全的前提下,建立了以隧道全长全衬砌的工程造价为目标函数的隧道结构优化模型,实现了衬砌最优设计的目标。(3)分析了隧道断面优化决策的目标,在多目标优化决策时,引入了层次分析法和熵权法,介绍其基本原理、步骤,并计算分析了以开挖面积,应力集中、洞周收敛、塑性区面积等为优化目标的隧道断面优化决策过程。