我国矿产资源丰富，矿产的大规模开发利用奠定了我国社会发展的物质基础，也造成了地层深部出现了大量的采空区，极易导致地面塌陷、裂缝等地质安全问题。近年来，由于实际工程约束、经济考虑等因素，我国铁路建设不可避免的需要穿越矿产采空区，而矿区开采技术条件复杂，形成的采空区具有一定的不确定性，采空区内部的垮塌及外部增加的荷载极易导致地层再次失去原有的应力平衡，从而导致铁路结构出现裂缝、垮塌等重大危害，对铁路建设安全影响重大。本文依托新建广州铁路枢纽东北火车外绕线工程，系统研究了铁路下伏深层矿区地表沉陷规律，建立了铁路下伏深层矿区地表沉陷预测方法，主要研究内容和成果如下：
　　(1)开展了采空区路基土的微细观结构、化学成分组成及土体动力特性研究，为采空区路基土性能、稳定性预测研究及稳定性加固措施设计奠定基础。结果表明：同深度采空区路基土的热稳定性良好，在温度场作用下能够保持良好的稳定性；不同深度采空区路基土的粒度含量变化趋势基本一致，随着深度的增加，矿区由软质土向硬质土转变；采空区路基土孔隙分布属于大孔及中孔的无序分布，并未体现出连通孔隙和多孔结构的吸附特征；采空区路基土的总体微观形貌主要以粗颗粒与微细颗粒土相互接触组成，细颗粒通过堆积和填充于粗颗粒的周围及其之间的孔隙之中；随着列车作用次数的增加，土体的变形逐渐趋于稳定，且形变量较小，列车动荷载的作用对矿区地表土的沉降影响较小。
　　(2)系统分析研究了广州市龙归硝盐矿长期地表变形观测网对矿区地面长达15年的地表变形监测资料，查明了新建广州铁路枢纽东北火车外绕线沿线的地表下沉、水平移动、地表倾斜、地表移动变形曲率、地表开裂以及外绕线附近地面变形特性，揭示了下伏深层矿区铁路地表沉陷规律，为类似铁路压矿工程设计、施工提供了直接依据。结果表明：铁路沿线沉降量最大达560mm；矿区全面停采后，沉降速率变慢，铁路沿线沉降最大点的沉降速率由170mm/年减慢为49mm/年；盐腔顶板垮塌的可能性比较小。
　　(3)分析了覆岩的一般变形规律，总结水溶开采的盐矿地面沉降发展的规律，进而研究导致地表沉陷的主要因素盐岩蠕变的变形特性，根据盐岩蠕变变形三阶段特性，分别针对每一阶段建立了蠕变变形理论模型，通过理论分析、有限元试件计算结果与相关试验结果进行对比，验证了本文提出的蠕变模型能够较好的预测盐岩的蠕变行为，可为后续考虑盐岩蠕变对地表沉陷的影响研究奠定基础。
　　(4)基于有限元方法，依据广州龙归盐矿开采的盐岩层特征、材料特性，建立了地层-溶腔有限元模型，采用Fortran语言编写蠕变模型子程序嵌入ABAQUS有限元数值分析中进行计算，分析了单一溶腔开采、多个溶腔开采及多个小溶腔开采连通形成大溶腔开采情况下的长期变形效应，包括地层位移、地表沉降及溶腔蠕变变形；在此基础上，研究了开采时保持卤水压力及开采后回灌卤水对上述长期变形效应的影响，结果表明：溶腔的变形随着埋深的增大而加剧，蠕变的大小也随着埋深的增大而增大；溶腔采空之后发生的变形与数量关系较小，引起的变形变化较小，而蠕变的大小与溶腔开采的数量相关，数量增大到一定的程度，蠕变变形增长较快；不同数量的溶腔连通形成大溶腔后，顶板发生的沉降随着蠕变变形急剧增大，而底板的隆起程度受到蠕变变形的影响几乎可以忽略，围岩的蠕变导致溶腔顶板发生的大变形可能导致顶板的失稳；开采结束后，保持卤水的压力不对卤水进行抽取可以有效的防止溶腔的整体变形，且能够有效的限制地表沉降变形。
　　(5)建立了新建广州铁路枢纽东北火车外绕线工程的“铁路路基—地层—溶腔”三维有限元模型，研究铁路路基施工及回灌卤水对地表沉降的影响，结果表明：发生100年的蠕变之后，地表的蠕变变形仍处于蠕变第二阶段，溶腔结构保持相对稳定状态，没有出现垮塌现象。修建铁路100年后，路基将产生0.7087m的附加沉降，远远超过规范限值规定的20cm工后沉降。通过回灌卤水且修建铁路路基100年后，路基最大附加沉降仅为12.65cm，满足规范规定的工后沉降不超过20cm的要求。回灌卤水对控制溶腔围岩蠕变，减轻地表长期沉降，保障铁路运营安全是有效的。
　　(6)建立了考虑盐岩蠕变变形的下伏深层矿区铁路地表沉陷预测方法，考察了盐腔回灌卤水、倾斜角度β、盐腔高度及蠕变时间等因素与地表沉降特性之间的关系，通过将预测结果与有限元计算结果对比，证明本模型能够有效的预测下伏深层矿区的铁路地表沉陷。此外，通过回灌卤水，可以有效的控制盐腔围岩的蠕变，地表沉降减小的效果随着卤水浓度的增大而增大；随着倾斜角度β的增大，最大地面沉降逐步变大；盐腔的高度对地表沉降影响较小；地表总沉降量随蠕变时间的增加而增加，但增加的速率减小。