本文以济南地铁R1线为工程背景,采用调研总结、室内试验、数值模拟、模型试验等手段,针对盾构区间施工溶洞的处理问题进行了深入研究。通过查阅相关文献,对现有地下工程施工遇到溶洞时的处治措施进行了研究。总结了全国二十余项地铁工程在穿越溶洞分布区时,进行的处理措施及所用材料情况,比较了常用注浆材料的优缺点。通过基础力学试验测定了现场岩样的力学参数。结合离散元软件EDEM建立灰岩的单轴压缩数值仿真过程,并通过对比室内试验和数值仿真的应力应变曲线形态,对EDEM仿真过程所需的细观参数进行了标定。当法向接触刚度为1 X 10~8N/m~3,切向接触刚度为7 X 10~8N/m~3,临界法向应力和临界切向应力为5 X 10~8Pa时,该组黏结参数能较可靠地表征灰岩的力学特性。基于Solidworks三维建模软件构建了盾构机三维机械模型,并实现该模型在EDEM仿真环境中运动姿态的模拟。建立了盾构穿越前方充填溶洞离散元数值模型,根据溶洞充填材料强度的不同设计6种施工工况进行数值仿真计算,模拟结果显示盾构前方溶洞充填材料强度与围岩强度比取值宜设置在0.8-1.2之间。研制了复合式土压平衡盾构试验机和模型试验箱,根据模型试验相似理论,结合原岩力学特性,配置了相似材料。应用该装置及材料进行了盾构穿越前方充填治理溶洞模型试验,分析了围岩物理场信息变化规律,试验结果显示盾构机掘进过程对隧道围岩的扰动范围约为刀盘前方0.5D,刀盘后方1D,隧道径向2D。论文的主要创新点包括:建立了灰岩力学参数与EDEM细观参数的关联准则,为离散单元法模拟岩石提供了模型依据。实现了盾构机在EDEM仿真环境中的模型表征,并对盾构掘进过程进行了模拟。研制了复合式土压平衡盾构试验机,揭示了考虑盾构扰动作用时开挖面前方溶洞充填强度对围岩稳定性的影响规律。