我国是世界上岩溶地区分布最广的国家,随着国家经济的快速发展,交通路网得到不断地完善,其中已修建的岩溶隧道也越来越多,在长期岩溶水压作用下运营岩溶隧道的病害问题也日益凸显,严重威胁着隧道的运营安全。然而,当前的研究主要集中于施工期间岩溶隧道超前地质预报、施工安全及岩溶揭示后处治技术方面,针对运营岩溶隧道病害方面的研究还相对较少。通过对运营岩溶隧道病害的调研可知,降雨等引发的突变水压力是导致岩溶隧道病害的主要因素,因此,以郑万铁路岩溶隧道富水区隧道为工程背景,研发了一套模拟高水位地下水、围岩、管道型溶腔装置、防排水系统、衬砌结构等模型试验系统。基于此,本文将通过数值模拟、模型试验等方法研究岩溶地区隧道运营过程中,突发岩溶水时,含有充填型或管道型溶腔的富水岩溶隧道在不同水头,不同排水条件,溶腔位于不同位置时,衬砌背后的水压力作用大小及分布规律以及隧道衬砌内力变化规律。其主要内容和成果如下:(1)通过充填型溶腔模型试验,以Ⅴ级围岩为基础,同时考虑不同的围岩埋深、岩溶水初始水头高度、防排水型式等,研究不同工况下运营岩溶隧道衬砌背后的水压分布规律,得出了,常规排水情况下对隧道边墙角处水压有明显降低作用,优化排水情况下对隧道仰拱中心处水压有明显降低作用。同时也得出环向盲管对隧道衬砌背后水压也有降低作用。同时进行了充填型溶腔岩溶隧道破坏模型试验,不排水情况时,距拱顶1.8m时发生破坏,最大仰拱位移为3mm。(2)通过管道型溶腔模型试验,研究了管道型隐伏溶洞对隧道衬砌内力的影响规律。试验以Ⅴ级围岩为基础,按溶洞位于隧道衬砌的拱顶、边墙中部、边墙角和仰拱中心四种状况。对每种状况,分析溶洞大小及溶洞内水压变化时对隧道结构的不同影响,总的来说溶洞直径越大,溶洞内水压越大,对靠近溶洞一侧的隧道衬砌影响越大,对衬砌结构越不利。(3)通过用midas建立三维渗流模型,模拟对比充填型溶腔模型试验,仿真结果得出,在常规排水情况下,隧道衬砌背后水压值均降低,边墙角处降低明显,在优化排水情况下,仰拱中心处水压降低明显。提取靠近环向盲管处水压和远离环向盲管处水压,进行对比,得出环向盲管对衬砌背后水压有降低作用。在不排水工况下,距拱顶大于1.6m时,隧道衬砌不满足安全标准,其安全系数k<1,最大仰拱位移为2.7mm。(4)通过用midas建立三维荷载结构模型,模拟对比管道型溶腔模型试验,仿真结果与数值计算结果进行比较,两种研究方法所得的结果基本反映了相同的规律,为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。