近几年,我国掀起了城市地铁盾构隧道建设的热潮,新建隧道盾构从上方或下方穿越既有隧道的工程状况越来越普遍。但是,新建隧道上下穿越既有隧道,在地下空间形成多层次多隧道相互叠交的复杂形式尚不多见,相关理论研究也落后于工程实践。随着城市地铁网络的逐渐完善,多线叠交隧道的出现在所难免。为此,本文以上海地区新建11号线隧道盾构先下后上近距离穿越既有4号线平行隧道形成三层隧道四线叠交的特殊工况为背景,采用室内模型试验、数值模拟与现场监测相结合的方法,研究了新建隧道盾构施工和列车荷载作用下既有隧道的变形控制问题。论文的主要研究工作如下:(1)确定“土体-盾构施工-列车荷载”系统的参量,基于量纲分析法推导了系统的相似准则。进行常规重力场下盾构施工的排液法模型试验,模拟了土体开挖卸荷、地层损失和同步注浆的前移过程,研究地层损失和同步注浆对纵向、横向地表变形的影响,揭示新建隧道周围土颗粒的运动规律。(2)建立新建11号线上下近距离穿越既有4号线盾构施工的三维有限元模型,利用单元“生”“死”、改变单元属性和施加面力等方法实现土体开挖、支护压力施加、注浆压力施加、管片拼装和浆液逐步硬化等动态施工过程的精细化模拟,考虑既有隧道周围土压力的分布规律,结合既有隧道竖向位移的现场监测数据,研究新建隧道盾构下穿施工时土仓压力和注浆压力以及上穿施工时压重范围和压重量对既有隧道变形的影响。(3)通过地铁列车移动轮载法、人工激振力函数法和列车荷载数定分析法3种方法计算上海地铁列车荷载时程,考虑管片-土体及管片间的接触特性和纵向螺栓的连接作用,建立道床-衬砌-土体系统三维动力有限元计算模型,采用Newmarkβ法求解隐式积分方程,利用荷载子程序DLOAD实现列车荷载的移动施加,分析比较了3种计算方法所得地铁列车荷载作用下道床单元和土体单元动应力以及道床点竖向位移和加速度响应的差异,为模型试验中列车荷载的确定提供依据。(4)提出一种模拟地铁列车移动轮载的室内模型试验方法,负有铁块的列车车辆模型通过电机牵引着在盾构隧道内移动,隧道结构包括衬砌管片环、整体道床、钢轨和轨枕模型,以研究不同地铁列车移动轮载大小、列车速度以及隧道埋深直径比情况下,既有隧道衬砌结构的变形和加速度响应规律。(5)以新建隧道上下夹穿单根既有隧道为背景,交替进行新建隧道排液和既有隧道内的移动轮载试验,对比分析“先下后上”和“先上后下”2种穿越顺序盾构施工和列车荷载作用下既有隧道的变形规律。(6)引入既有隧道竖向位移相对变化量与新建隧道外径的比值作为施工期间既有隧道扰动程度的评价指标,结合上海软土地区新建隧道穿越既有隧道的工程实例提出了既有隧道微扰动判定指标的初步取值,总结了既有隧道微扰动的控制措施。以减小既有隧道的扰动次数为原则,分上下新建隧道中心线重合和不重合2种情况讨论了软土地区多线叠交的穿越顺序。实际工程以盾构推进过程中既有隧道变形的“可控性”为目标,采用“先下后上”的穿越顺序进行施工。最后,对本文研究所取得的成果进行了总结,对论文的不足之处和研究展望进行了讨论,以期为多线叠交盾构施工过程中既有隧道的变形控制提供参考。