随着煤炭、铁矿等矿产资源开采力度的不断增大,产生了众多深浅各异、条件复杂的地下采空区。该类地区在进行铁路、公路、地铁等交通设施建设时,在道路、车辆等上覆荷载作用下,极易引发采空区顶板冒落、坍塌甚至地表沉陷等重大自然灾害。对下伏采空区变形破坏特征及处治方法进行研究,可有效减少工程灾害的发生,保障人民生命财产安全。目前国内外对于高速公路下伏采空区变形破坏机理的研究多集中在采空区覆岩破坏特征的研究方面,而对于外荷载作用下老采空区“活化”引起的地表残余变形研究较少,对于不同地质条件下老采空区处治工况及处理方案选择尚无明确的处置标准。另外,钻孔注浆作为一种有效的采空区治理方法,具有加固效果好、施工周期短等优点,但是,目前对于采空区的注浆研究多凭经验或单一物探资料进行钻孔布设,施工盲目性较大。同时,现有注浆材料大多没有考虑采空区动水或静水环境影响,极易造成浆液流失,导致浆材浪费,并引发采空区次生灾害或地下水资源污染等。针对上述问题,本研究以岚罗高速临沂罗庄段公路下伏大型采空区工程为依托,通过理论分析、数值模拟、室内试验及现场试验相结合的手段,以优化采空区注浆加固设计及施工参数、明确影响高速公路下伏采空区变形破坏的关键因素、研发新型速凝型注浆材料为目标,开展了如下研究内容:1、基于采空区地球物理探测和精细化补充探查结果,构建了基于BIM技术的采空区三维可视化模型,实现了采空区注浆加固设计及施工的可视化和参数的最优化。2、针对岚罗高速下伏采空区巷道埋深、尺寸、巷道层数、布设位置等因素,通过构建三维数值分析模型,分析了上覆荷载作用下下伏采空区变形破坏特征,明确了影响高速公路下伏采空区变形破坏的关键因素、需处治工况和阈值,为实际工程中采空区处治方案选择奠定了基础。3、考虑采空区巷道静水、动水影响下,传统注浆材料静水抗离析性、动水抗分散性较差,注浆时间长且始终无法起压等问题,兼顾注浆治理效果及工程材料成本,研发了新型水泥-粉煤灰-改性水玻璃(C-FA-MS)注浆材料,基于浆液的初终凝时间、流动度、单轴抗压强度等指标确定了最优配合比,该注浆材料具有凝胶时间短、流动度大、抗压强度满足工程要求等性能优异的特点,可以满足岚罗高速临沂罗庄段下伏采空区含水巷道的注浆加固要求,可为类似注浆加固工程的应用设计提供借鉴。4、基于室内试验及采空区巷道可视化分析成果,以岚罗高速临沂罗庄段高速公路施工工程为依托,开展了注浆孔施工参数及双液注浆施工工艺优化研究,确保了复杂工况下采空区注浆效果,并提出了基于物探手段的下伏采空区注浆效果评价方法。