随着城市化进程的不断加快,城市地铁修建数量不断增多,盾构法在修建城市地铁中的应用变得越来越广泛。盾构隧道在上软下硬复合地层中施工会遭遇因围岩内部变形导致的掌子面失稳与地表塌陷等各种事故,而目前在施工过程中无法准确探究围岩内部变形演化规律,因此,针对围岩内部变形进行观测分析显得非常重要。目前,国内外学者在复合地层盾构隧道围岩变形演化规律研究方面取得了显著的成就,但对于围岩内部变形演化规律的研究还不够全面和深入,本文借助透明岩土试验技术与数值模拟相结合的方法,对上软下硬复合地层盾构隧道施工过程中围岩内部变形演化规律进行深入研究,主要研究成果如下:(1)研制了一套由光学平台、真空设备、激光器、图像采集装置以及试验模型箱、开挖装置等组成的盾构隧道透明岩土物理模拟实验系统。其中,模型箱和开挖装置能够模拟隧道掌子面开挖应力释放效应,同时,增加封堵和紧固装置解决了模型箱与开挖装置之间的漏液问题,并且提高了模型箱的承压能力。(2)通过探索研究,进一步明确了透明岩土相似材料的选择原则与配制流程,提出了透明砂土材料复用方法,分析了透明土试样透明度的影响因素,研究了透明砂土的基础物理力学性质,并初步配制了不同粒径范围相组合的透明复合地层,同时,探索了在透明砂土模型中制作内部空洞的两种试验方法。(3)模型试验与数值模拟研究表明,复合与倾斜地层围岩内部变形规律与均质地层具有明显差异,且表现出明显的分层效应,上部强度较低的围岩变形严重,下部强度较大的围岩变形较小;空洞的存在对其周围岩土体的变形规律有显著影响,加剧了空洞下部岩土体的变形速度,而抑制了空洞上部岩土体的变形速度。(4)通过研究粒径范围0~0.25mm与1~3mm石英砂配置的透明复合地层得知,利用数字照相量测标点法和无标点法测得围岩内部变形最大值均位于拱顶附近,当后退式模拟开挖的距离达到6.0mm时,标点法测得最大位移为5.0mm,无标点法测得拱顶最大位移为4.0mm,拱底最大位移为1.5mm,拱顶底最大位移差约为2.7倍。(5)工程问题分析可知,复合地层围岩内部变形分层效应明显,盾构隧道施工引发掌子面应力释放,拱顶变形远大于拱底,容易造成掌子面失稳与地表坍塌等事故,盾构隧道施工与支护参数应根据围岩内部变形规律进行选择和设计。