随着城镇化进程加快、城市群都市圈的发展、国家大通道建设计划的实施,我国将继续加大基础设施建设,进一步完善铁路网、公路网和城市轨道交通网络,这些为我国隧道及地下工程的发展带来了前所未有的契机。在隧道和地下工程的修建中,盾构以其快速、安全、环保的特点已成为隧道建设的最主要方法。近年来,随着现代盾构装备技术水平的不断进步和运营发展的需要,盾构法隧道工程技术已向大断面、大深度、长距离的方向发展。随着盾构机直径的增加,土体一次性开挖面积增大,对周围土体的扰动范围和程度增大,面临的地质条件越来越复杂,对地层变形的要求也越来越高,能否保证地层变形在允许范围内是大直径盾构隧道成败的关键。本文依托国家重点基础研究发展计划项目“高水压越江海长大盾构隧道工程安全的基础研究”(2015CB057803),以大直径盾构施工中的地层变形为研究对象,采用现场实测数据统计分析、地层变形理论分析、数值模拟等手段,研究了大直径盾构隧道施工引起的地层变形。主要研究内容和成果为:(1)系统回顾了国内外盾构隧道施工引起地层变形的研究现状,归纳了盾构隧道施工引起地层变形的研究方法,探讨了已有研究成果和存在的不足,明确了主要研究内容,给出了研究技术路线。(2)揭示了大直径盾构隧道引起地层变形的分布规律和经验参数取值与影响因素。针对国内尚未有大直径盾构隧道实测沉降数据详细统计分析的情况,收集了地面沉降现场实测数据,利用Peck公式反分析的方法获得经验参数的取值并依据盾构穿越土层的不同进行了统计分析,并与中小直径盾构和浅埋暗挖所得结果进行了对比研究。研究结果表明:大直径盾构隧道施工引起的地面最大沉降在2.5mm~92.2mm之间,地层损失率在0.02%~3.36%之间,平均值为0.53%,集中于0%~1.0%之间的概率近91.24%;地面沉降槽宽度系数在0.13~0.74之间,平均值为0.38。地面最大沉降、地层损失率、地面沉降槽宽度系数均与渗透系数成正比,隧道埋径比单因素的影响较弱。大直径盾构隧道施工引起的地层损失率和地面沉降槽宽度系数比中小直径盾构引起的要小,浅埋暗挖引起的地层损失率和地面沉降槽宽度系数比盾构法离散性大。(3)提出考虑开挖面积增大影响的大直径盾构引起地层变形的理论解析解。推导了考虑泥浆容重条件下盾构开挖面附加推力计算公式,考虑土体软化条件下盾壳与周围土体不均匀摩擦力计算公式,考虑环向消散条件下盾尾注浆压力计算公式,基于Mindlin解,得到了上述条件下地层变形公式,结合地层损失引起的地层变形公式,最终得到了总地层变形计算公式。算例验证表明:不考虑上述因素计算得到的大直径盾构隧道引起的地层变形,会高估地面的隆起值和沉降值,低估地层的水平变形。本文提出的公式能够较好的预测地层变形、反映地层变形发展规律。(4)提出了大直径盾构隧道引起地层变形的土体均匀竖向收敛模型、不均匀竖向收敛模型、浮力作用下的土体均匀径向收敛模型。考虑到大直径盾构隧道周围土体的自重作用、开挖卸荷效应和浮力作用,基于镜像法原理推导了上述模型的地层计算公式。算例验证结果表明:不均匀竖向收敛模型比均匀竖向收敛模型所得结果与实测数据吻合更好;最大地层水平位移均在隧道轴线埋深附近;在浮力作用下,地面横向沉降曲线逐渐从“W”型变为高斯曲线形式。(5)建立了大直径盾构隧道掘进动态过程的三维数值模型。通过分析建模要点,考虑开挖面不均匀附加压力,盾尾注浆压力环向消散建立了三维有限元模型,并对比分析了本文理论计算结果和数值模拟结果。分析结果表明:大直径盾构隧道施工横向影响范围为-3D~3D;开挖面附加压力和盾尾注浆压力是引起地面隆起的主要因素。本文提出的理论计算结果和数值模拟结果能够较好的吻合,表明本文提出的理论计算模型是合理的。