我国岩溶分布广泛,类型众多。随着交通工程不断向岩溶山区推进,岩溶成为隧道工程建设中面临的关键工程技术问题之一,岩溶的形态和填充物质直接关系到隧道的正常施工和安全运营。为避开岩溶对工程建设的影响,当前交通工程多为高位选线,线路多处于岩溶的垂直入渗带范围内,其中竖向溶腔是最常见的岩溶形态。此类岩溶不同的形态对围岩卸荷特征影响明显,不同外形、尺寸的竖向无充填溶腔对隧道围岩稳定性影响差异较大,如何正确地评价不同形态的溶腔对围岩稳定性的影响成为设计中的难题。本文以成昆复线老鼻山隧道岩溶发育段为研究对象,从竖向无填充溶腔的几何形态特征入手,研究此类岩溶的探测方法和响应特征,通过调查和三维扫描技术,总结隧道围岩和岩溶特征,建立隧道、溶洞三维地质精细模型和概化模型,采用三维有限元MIDAS/GTS模拟前方竖向溶洞对隧道的影响,比较不同开挖工法下围岩的变形及支护结构的力学效应从而优化该段施工方案,比较不同超前支护方法下围岩的变形的及支护结构的力学效应,并对不同精细程度岩溶模型的计算结果进行讨论,其主要工作和取得的成果如下:(1)以成昆复线老鼻山隧道地质构造、地层岩性、岩体质量、岩溶发育情况等大量的现场调查资料为基础,采用地质雷达探测、TSP和超前水平钻探等超前预报手段提前查明了DK207+507～480段隧道围岩强度较低,节理裂隙较发育,围岩较破碎,岩溶强烈发育,存在溶洞、溶腔等溶蚀现象,围岩稳定性差的不良地质情况。综合运用已有的地质编录和物理探查,构建了短小节理发育密集程度为竖向溶腔发育的地质标志,利用该指标超前发现了DK207+508里程岩溶发育的不良地质情况,保障了隧道施工安全。(2)应用三维激光扫描技术对研究隧道的DK207+508溶腔进行了精细化扫描。在传统概化溶洞计算模型的基础上建立更为精细的溶洞三维地质模型。采用三维有限元软件MIDAS/GTS分别仿真分析了传统概化溶洞模型和三维扫描溶洞模型对DK207+608～508段隧道位移和应力特征的影响。模拟结果表明:隧道开挖结束后的洞周特征点总位移变化规律均表现为总位移先逐渐增大至最大值后逐渐减小的特点,两种溶洞模型的计算结果均表明隧道在第20断面处洞周特征点位移最大值,传统概化模型与扫描溶洞模型最大位移最大相差5mm左右,差别较小。两个模型的应力分布特征总体相似,但是差值较大。拱腰最大主应力差值最大达到0.21MPa,拱腰最小主应力差值最大达到1.39MPa。可见采用强度理论进行支护结构设计时,可采用精细化模型进行模拟分析,以提高支护结构的可靠度。(3)采用数值模拟软件分别仿真分析了前方有无溶洞工况下DK207+608～508段隧道二台阶法无超前支护的施工过程。模拟结果表明:有无溶洞工况下的位移和主应力分布特征相似,有溶洞工况特征点的位移和主应力量值大于无溶洞工况。有溶洞工况下隧道开挖结束后拱顶最大位移为55.39mm,较无溶洞工况增长了27.53%。拱顶最大主应力较无溶洞工况增长了31.66%,最小主应力增长了28.67%。隧道施工至第20断面施工塑性区与溶洞塑性区产生重合,为施工最不利位置。结合拱顶位移和主应力较无溶洞工况下的增长幅度推测,隧道第20断面拱顶可能存在变形风险。(4)采用数值模拟软件分别仿真分析了三种不同开挖方法下DK207+608～508段隧道的施工过程。模拟结果表明:三种开挖方法的位移、主应力以及初期支护应力分布与二台阶法特征相似。三台阶七步法对位移控制效果最好,较二台阶法的位移量值最大减小了12.59mm。三台阶七步法对拱顶和仰拱的主应力控制效果最好,较二台阶法的主应力量值最大减小了0.75MPa。三台阶临时横撑法对拱腰主应力的控制效果最好,较二台阶法的主应力量值最大减小了0.89MPa。三台阶七步法对初期支护拱顶和仰拱的最小主应力控制效果最好,较二台阶法初期支护的最小主应力量值最大减小了0.62MPa。三台阶临时横撑法对初期支护拱腰最小主应力的控制效果最好,较二台阶法初期支护的最小主应力量值最大减小了1.13MPa。采用三台阶临时横撑法可以很好的控制拱腰应力,但施工步数大,施工条件要求高,施工工艺难度大,推荐采用三台阶七步法施工。(5)采用数值模拟软件仿真分析了三种超前支护方法下DK207+608～508段隧道施工过程。模拟结果表明:三种支护方法的位移、主应力以及初期支护应力分布与二台阶无超前支护模型特征相似。双层小导管支护对拱顶位移控制效果最好,较无超前支护位移量值减小了12.58mm。中管棚支护对其他特征点位移控制效果最好,较无超前支护位移量值最大减小了11.60mm。中管棚支护对拱顶和仰拱主应力的控制效果最好,较无超前支护拱顶和仰拱主应力量值最大减小了1.12MPa。双层小导管支护对拱腰主应力的控制效果最好,较无超前支护拱腰主应力量值最大减小了1.30MPa。中管棚支护对拱顶和仰拱初期支护应力控制效果最好,较无超前支护初期支护最小主应力量值最大减小了0.95MPa。双层小导管支护对初期支护拱腰应力的控制效果最好,较无超前支护初期支护最小主应力量值最大减小了0.47MPa。由于中管棚支护拱腰应力的结果与双层小导管最大相差0.09MPa,结果接近,综合考虑,推荐采用中管棚超前支护方法。