大量的隧道工程建设实践表明,无充填溶洞对隧道工程安全影响较小,连界至乐山线飞凤山隧道(全长3400 m)修建过程中也遇到了无充填溶洞,在隧道开挖至DK35+267~DK35+261段时,拱顶揭露宽约3m的无充填溶洞,在经过常规处理之后,隧道继续开挖至DK35+249位置时,DK35+259~DK35+249段围岩出现大范围变形,致使该段初期支护与前部分支护断裂,并且产生挤压变形。该问题的出现引起了勘查、设计和施工单位的高度重视。针对以上问题,在对当地整体岩溶特征以及围岩等地质条件现场调研的基础上,结合地质法探测和超前探测所获取到的数据及图件,选取最具代表性的隧道开挖揭露拱顶无充填溶洞失稳段建立概化模型,然后根据实际工况设计开挖支护方案,采用三维有限元Midas/GTS模拟不同开挖工法,分析这类溶洞诱发围岩变形的机理及其与支护结构的力学效应成因,优化施工方案,调整支护形式,解决隧道安全施工的关键技术问题。其主要研究成果如下:(1)根据FDTD正演结果,得到无填充溶洞GPR响应特征:(1)波形特征:a.同相轴的弯曲度受到溶洞形状与模型横纵轴的比值的影响,横纵轴的比值越小,同相轴弯曲度较大,横纵轴的比值大,同相轴的弯曲度较小;b.电磁波传播经过溶洞区域时,位于溶洞顶界面所产生的界面反射相比于底界面产生的界面反射更加强烈,效果更明显;c.随着页岩岩层探测距离的增大,电磁波存在明显能量衰减,岩层底界面不明显,岩层的底界面分辨率降低。(2)频谱特征:溶洞由空气充填,电磁波在空气中传播,能量损耗较小。对正演数据进行频谱分析,从中可以看到能量和频率的关系曲线。由于溶洞由单一气相空气介质充填,频谱分析后得到的主频值反映了单一气相空气介质填充溶洞的特性,可以将主频值作为推测空溶洞的量化指标;由于溶洞仅由气相单一介质空气填充,填充的空气介质是均匀的,在频谱分析图中主频附近的单峰特征也可作为判据。(2)基于三维有限元Midas/GTS模拟飞凤山隧道研究段开挖施工过程,存在拱顶无充填溶洞隧道段开挖支护结束后,在隧道拱顶及左、右拱肩三条轴线上,由于拱顶无充填溶洞的存在导致里程DK35+265~DK35+262段与该段前后产生变形差异造成溶洞后方衬砌发生断裂。除此之外,左、右拱腰最大变形位置,底板中部最小变形位置都出现在拱顶无充填溶洞里程范围内,这些位置与其前后区域的变形差异也是造成溶洞后方衬砌发生断裂的因素。(3)模拟了四种不同开挖工法在隧道研究段的施工过程,在四种开挖工法对里程DK35+265~DK35+262段与其前后位置变形差异的控制上,CD法开挖对拱顶、拱肩、底板的变形控制效果最好,三台阶法对拱腰的变形控制上效果最好,相较于全断面开挖在里程DK35+265位置的变形集中,两台阶、三台阶、CD法开挖在该里程位置的变形集中现象并不明显。(4)通过对里程DK35+259衬砌断裂处拱顶、拱肩、拱腰处位移进行监测,结果显示CD法对拱顶的位移控制效果最好,三台阶对拱腰水平位移的限制作用在四种开挖工法中略有优势。对里程DK35+259衬砌断裂处拱顶、拱肩、拱腰处最大主应力进行监测,四种开挖工法中,CD法开挖在拱顶、左拱肩和左拱腰位置产生的最大主应力数值最小,三台阶开挖在右拱肩与右拱腰位置的最大主应力数值最小。CD法开挖过程中里程DK35+259衬砌在五个监测点上受到的综合应力作用最小。(5)三种超前支护方式都一定程度上减少了里程DK35+265~DK35+262拱顶无充填溶洞段与其前后位置的变形差异。超前小导管支护方案在DK35+265~DK35+262段与其前后位置拱顶变形差异的控制上要强于超前锚杆支护方案,采用超前注浆回填支护方案,在溶洞区域DK35+265~DK35+262段与其前后位置拱顶变形差异最小。