随着我国城市化进程的加快,市政管线、地下管廊、轨道交通等地下空间开发进入快车道。由于建设的先后顺序不同,新建隧道下穿既有地下结构的情况越来越多。穿越工程是城市地下工程建设中风险最高的工程,需要同时保证工程自身安全和周围环境安全。因此,研究暗挖隧道下穿施工既有地下结构的响应及其控制,具有重要的现实意义。本文结合大量北京地区下穿工程实践,通过统计分析、理论解析、数值模拟和现场监测等手段,对下穿工程中新建隧道-地层-既有地下结构相互作用关系、施工关键技术、变形预测方法及安全风险管控等问题进行了系统深入的研究,主要工作及研究成果如下:(1)基于复变函数法和莫尔-库伦破坏准则,运用浅埋隧道在地表任意分布荷载作用下地应力和位移的解析解,建立了新建隧道-地层-既有地下结构的理论计算模型,分析了下穿施工中因素变化对塑性区的影响。揭示了下穿施工的力学本质是新建隧道施工对地层扰动引起了地层弱化,降低了既有地下结构下方地基的承载力,导致既有地下结构向下变形,最终实现再平衡的过程。(2)基于案例统计及理论分析,对新建地铁区间、地铁车站下穿施工关键技术进行了研究。区间下穿时,当新旧隧道竖向有足够的间距、预测变形可满足变形控制标准时,建议采用马蹄形台阶法施工;当马蹄形台阶法施工拱顶上方夹层土留不住、地层注浆效果不佳、存在不良地质体时,建议采用平顶直墙形CRD法施工。车站下穿时,当新旧隧道竖向有足够的间距(1D)且单层车站时,建议采用多导洞法+大管幕+注浆抬升法;当新旧隧道竖向间距小且为单层车站时,可采用多导洞法+千斤顶顶升法施工,但是对施工质量有严格的要求;单层或多层车站时,可采用洞桩托换法+千斤顶顶升法施工。绘制了下穿施工扰动下既有隧道变形特征曲线、新建隧道支护特征曲线和既有隧道变形恢复曲线,并对其力学演化过程进行了阐述。基于新建隧道横断面开挖面积的大小,将暗挖法下穿施工分为三个等级,给出了三个等级下穿施工的建议施工方法。(3)统计法分析后明确了peck公式中的地层损失率可以用正态分布来表示。引入蒙特卡罗法对地层损失率参数进行随机抽样,创新性提出了基于经验法的下穿工程既有地下结构变形概率预测方法,使得传统的单一数值预测方法转变为预测变形的概率问题,预测结果更符合参数随机性的实际情况。(4)分析下穿工程中千斤顶顶升的作用机理,基于非线性接触面法提出了可模拟千斤顶作用特征的本构模型并编制了有限元计算程序,实现了下部桩基-千斤顶-既有地下结构的协同分析,为准确模拟既有地下结构变形提供了支撑。并通过实例验证证明了该本构的有效性。(5)针对暗挖隧道下穿工程的特点,建立了风险评价方法和流程,为新建工程变形控制决策提供了理论支撑。并在北京地铁16号线苏州街站建设中得到成功应用。