隧道是水利水电及交通工程中的主要建筑物,其断面形状的合理与否直接影响着工程的安全性、经济性和施工便利性。本文以现有的隧道设计研究理论为背景,采用有限元软件ANSYS,对隧道开挖过程进行了弹塑性有限元分析,并针对隧道最优的断面形状问题进行了系统的研究。具体工作如下：(1)隧道施工过程有限元数值模拟。结合岩土材料的非线性特性,阐述了隧道施工过程计算理论及数值模拟方法。根据有限元建模理论,通过对物理力学参数、计算范围、边界条件、单元类型、材料本构关系以及初始地应力的确定,建立了隧道开挖的平面几何模型。(2)不同断面形状对隧道围岩稳定性的影响研究。利用有限元分析软件ANSYS对圆形、直墙拱形、蛋壳形和矩形4种常用的隧道断面形状,在相同的围岩条件下进行了有限元数值模拟,通过对洞周的应力、位移、塑性区和衬砌受力等结果的分析,得出蛋壳形是合理隧道断面形状的结论。(3)不同高跨比的隧道结构力学特性研究。对五心圆的蛋壳形隧道断面,针对现有二车道高速公路隧道,在满足建筑界限的条件下,采用数值模拟方法计算出了隧道在宽度一定、高度变化的不同工况下,隧道开挖后的竖向位移收敛、围岩应力分布及初期支护结构的受力情况,得出不同高跨比下隧道断面的力学响应、稳定性和衬砌受力的变化规律。(4)隧道断面的多目标优化研究。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,介绍了其基本原理和计算步骤,对影响隧道断面的各因素进行分析和调整,建立层次关系,构造阶层结构,给出层次分析法的算法流程,应用于不同高宽比的隧道断面,以开挖面积、洞周收敛、衬砌内力和洞周应力等为指标,在满足隧道建筑限界的前提下,选择最优断面形状。(5)不同开挖方法的隧道施工力学分析。针对上面选择的最优隧道断面形状,在Ⅲ级围岩条件下分别对全断面法开挖和台阶法开挖的施工过程进行模拟,分析了不同施工方法下围岩和支护的力学响应,并对两种开挖方法进行对比、优选,得出合理的施工开挖方案,为隧道的设计和施工提供参考。