随着西部大开发战略深入实施,我国公路、铁路建设重点已逐渐由平原地带转移到山岭重丘地区,由此将产生大量的山区隧道,“多、长、大、深”是山区隧道的典型特点。制约特长隧道发展的因素主要有掘进技术、支护技术、通风技术、不良地质等。在现有技术经济条件下,最为主要的制约因素是不良地质作用,即隧道施工开挖过程中可能诱发各类地质灾害。常见隧道地质灾害包括软岩、断层破碎带、岩性不整合接触带、地下水、岩溶管道、岩溶塌陷、采空区和岩爆等。其中隧道涌水灾害是隧道工程建设中一个难题,国内外已建隧道中都曾经发生过许多严重涌水事故,大规模涌水常常造成巨大经济损失和人员伤亡。为此开展山区岩溶隧道涌水成灾机理方面的研究,对特长隧道涌水灾害的预测及防治具有重要的理论意义与工程实践意义。本文以湖北沪蓉西乌池坝隧道为研究对象,综合采用地质学、水文地质学、岩土力学、地下水动力学等相关学科的理论基础知识结合数理统计、非线性理论、数值模拟等数学分析方法,试图从岩溶发育主控因素及失稳模式角度建立乌池坝隧道的涌水地质模型；在此基础上,从隧道涌水地下水动力学演化过程角度结合突变模型,探讨岩溶隧道涌水成灾机理及其力学演化过程；采用经验计算模型与数值计算模型相结合的量化分析手段,对乌池坝隧道的涌水量进行预测,并对多种预测方法进行对比分析；最后采用正交试验与回归分析相结合的方法,探讨上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道与溶洞问的安全距离及其影响因素,建立三种岩溶隧道安全距离与影响因素间的数学预测模型。通过上述分析和研究,主要取得了以下结论与成果：(1)岩溶发育受地层岩性、地下水动力分带、地质构造、地形地貌等因素控制,其中地层岩性是基础,地质构造是主导,水动力条件则是决定性因素。(2)岩溶突水影响因素可概化为地质因素和工程因素两种。地质因素方面,岩溶含水介质通常具有不均一性和多样性,且水量分布极不均匀,层流与紊流共存,小裂隙构成主要贮水空间、大溶蚀裂隙构成主要导水通道。工程因素方面,岩体开挖卸荷、爆破扰动以及注浆失效等等都是主控影响因素,在很大程度上导致突水滞后性和不确定性。(3)岩溶突水实质上是岩溶含水介质系统、水动力系统以及围岩力学平衡状态因地下工程开挖而发生急剧变化,存贮在地下水体能量瞬间释放,并以流体形式高速地向工程临空面内运移一种动力破坏现象。从水-岩相互作用机理来看,岩溶突水包含两个过程阶段,即岩溶突水蓄势机理和岩溶突水失稳机理,其中前者是一个漫长历史过程,后者是前者能量积蓄瞬间突变形式。(4)从含导水构造能量储存、岩溶水动力扰动和能量释放以及含导水构造系统失稳角度提出岩溶突水的发生条件,并将岩溶突水过程划分为蓄势与失稳两个显著阶段；采用多场耦合软件计算开挖条件下岩溶突水形成过程的流态演变特征,实现了岩溶水由含水层中的渗流发展为潜在突水通道中的快速流,最后突入隧道内形成自由流的灾变演化过程。(5)基于不同成因地质缺陷体的归类和阻水性能分析,提出地质缺陷诱发突水的两种典型灾变模式,分析了地质缺陷式突水通道的形成过程及其失稳的力学判据。就不同尺度地质缺陷体渗透特性的差异,建立了强渗流作用下充填介质的渗透失稳模型和充填体的滑移失稳突水模型,并将之应用于乌池坝隧道岩溶管道诱发突水的实例分析中,结合数值分析结果,揭示了充填介质渗透失稳形成堵塞体后整体滑移突水的灾变演化过程：对于非导水断层,考虑两区段充填介质的力学属性,引入水致弱函数反映强渗流对断层充填介质的活化作用,建立了断层充填体滑移失稳的燕尾突变模型,并基于灾变演化路径控制参数的分析提出相应的防治措施。基于大量数值计算结果,分析了断层活化诱发破裂通道的灾变机制,给出了断层突水的4种灾变路径,并对断层参数对突水的敏感性进行了分析。最后,基于不同揭露型突水模式的灾变分析,提出复合式突水类型,分析地质缺陷诱发隔水围岩失稳的非揭露型突水的灾变机制,并结合工程实例,进一步揭示了断层活化导通暗河水涌入与隧道存在水力联系的充填型溶腔,并导致隧道拱部完整围岩压裂突水的灾变演化机制。(6)通过乌池坝隧道水文地质条件分析,采用"Visual MODFLOW2.7.1"三维渗流模拟和常规经验公式对乌池坝隧道涌水量进行预测,并对其结果进行对比分析,确保了预测结果的可靠性。乌池坝隧道整个隧道最小涌水量在12000-22000m3/d之间,正常值(施工期平水年)在24000～47000m3/d之间,大值(施工期丰水年)在30000～96000m3/d之间。(7)通过FLAC3D数值模拟结合正交试验方案,对上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道与溶洞间的安全距离进行分析,得到围岩级别、岩体侧压力系数、溶洞跨度、溶洞高跨比和隧道埋深五个影响因素对安全距离的影响程度和影响规律。对于上覆型和下伏型岩溶隧道,溶洞跨度对安全距离的影响较大,溶洞高跨比对安全距离的影响较小；对于侧伏型岩溶隧道,溶洞高跨比对安全距离的影响较大,溶洞跨度对安全距离的影响较小,即垂直于隧道与溶洞连线方向的溶洞尺寸对于安全距离的影响较大,而平行于隧道与溶洞连线方向的溶洞尺寸对于安全距离的影响较小。(8)单因素回归分析结果显示,对于上覆型和下伏型岩溶隧道,隧道与溶洞间的安全距离与围岩级别及岩体侧压力系数呈指数关系,与溶洞跨度及溶洞高跨比呈线性关系,与隧道埋深呈对数关系；对于侧伏型岩溶隧道,隧道与溶洞间的安全距离与围岩级别呈指数关系,与岩体侧压力系数呈二次多项式关系,与溶洞跨度及溶洞高跨比呈线性关系,与隧道埋深呈对数关系。在此基础,通过多元回归分析建立了上覆型、下伏型及侧伏型岩溶隧道安全距离与上述五种影响因子间的数学预测模型。