高速公路路基下伏煤矿采空区是一种特殊的岩土工程问题,高速公路与下伏采空区的相互影响给采空区高速公路建设带来了特殊的困难与特殊的要求.一般在工程建设中尽量避开,但矿区采空区往往星罗棋布,高速公路建设不可避免地要穿越采空区,必须对采空区进行处治.中国采空区高速公路建设技术尚处于摸索阶段,虽积累了一定的工程经验,但尚未形成成熟的治理技术,由此导致了经济技术等方面的一系列问题,特别是对于多层复杂采空区的处理问题尚处于空白.该文针对高速公路与下伏采空区相互作用分析理论及其采空区处理技术进行了系统的研究.(1)全面回顾总结了国内外关于采空区问题的研究现状,对采空区特殊地基高速公路建设存在的五个技术难题进行了综合分析,包括:高速公路与采空区相互作用分析理论、采空区的勘察评价、变形稳定性评价、采空区治理理论及其质量评价技术.(2)对公路下采空区三维空间发育特征现场探测技术进行了试验研究,并总结相关资料,提出了采空区探测技术方法组合体系,推荐了各种地质条件下宜选择的探测方法.(3)结合高速公路路基工程的特点,在研究采空区地表剩余移动与变形规律基础上,提出了多层倾斜复杂地质条件下采空区的变形与稳定性实用评价方法,以地质经验法定性评估,以预计评价方法、二维及三维有限单元法定量计算.提出了采空区对公路工程影响程度初步评估方法及公路建设适宜性定性评价方法,并根据地表剩余下沉、倾斜、水平变形与曲率四个指标,提出了采空区特殊路基稳定分区标准.(4)以岩体结构控制论为基础,深入分析采空区三带发育的特点,融合信息技术,建立了采空区二维及三维工程地质模型,直观形象地反映了采空区地层组成及其三维空间的展布形态,为采空区变形与稳定性评价工作提出了可靠工程地质模型.在此基础上,重点研究了多层倾斜复杂采空区稳定性的定量数值模拟方法-三维及二维弹塑性有限单元法,分析了采空区数值模拟的关键技术处理方法.并根据实际工程三维数值模拟结果,分析了多层倾斜采空区地基移动与变形、围岩与煤柱应力分布规律,提出采空区地基承载力及围岩稳定性标准,对处治方案进行了验证模拟.(5)采用理论分析与有限元数值模拟相结合的方法对高速公路-采空区相互作用理论进行了分析,提出了采动对高速公路路基路面的损害计算与评价方法.并通过有限元数值模拟得到采空区与公路相互作用的若干规律,为公路下采空区处治提供了理论依据.(6)应用岩体结构力学、流体力学及渗流力学等理论,探讨了采空区岩体注浆理论模型.分区建立了采空区不同注浆结构部位的理论模型,包括采空区空洞或巷道的一维"管道"模型、离层与接触风化带等结构面二维模型、导水裂隙带三维模型.并推导了三种不同扩散模型下浆液有效扩散距离计算公式,计算并分析了有效扩散半径与注浆压力、注浆时间、地层裂隙性质及浆液性质之间的相互关系.计算结果与现场及室内试验的结果相吻合,说明了模型的合理性.(7)通过室内单因素试验、二次回归正交试验及现场可注性试验,系统研究了采空区注浆材料-大掺量(>40％)粉煤灰水泥浆材、水泥粘土浆材、水泥粉煤灰粘土浆材、无或掺少量水泥浆材的工程特性.得到了浆材特性与水灰比、固相比及添加剂等变化因子之间的相关关系,并提出了各种技术参数的预测回归模型,以优化采空区注浆配合比设计.(8)对路基下伏多层采空区注浆治理工程设计理论、施工工艺与控制、质量检测技术进行了理论分析和现场试验研究.提出了高速公路采空区特殊路段的研究程序、采空区处治"三阶段"设计法及注浆工程设计程序.应用优势面理论,提出了采空区治理优势区段、注浆优势层位、优势控浆带确定的优势指标综合评分法.最后在试验工程基础上建立了质量检测方法与标准.