近些年来,随着城市建设速度越来越快,扩建范围越来越大,城市建设逐渐向地下发展,人们不断的对城市地下空间进行拓展,城市地铁建设在很多方面表现出很高优势,比如很大缓解了地面交通压力,对城市交通环境有很大改善,从科学角度讲城市地下对城市地下空间的拓展有利于城市经济的可持续发展。人们对城市地下空间不断进行开发,在城市地下空间开发利用的过程中面临许多不利因素,地层的复杂程度也不断增加,地铁施工具有很大的风险及难度,且研究难度极大,施工过程中开挖面稳定性的预测和控制非常困难,极易发生城市路面塌陷等灾害事故。对于城市路面稳定性的研究,很多学者在理论分析及数值模拟方面进行大量研究,并取得有效成果。模型实验作为地下工程研究的重要手段之一,在城市路面塌陷研究中应用较少。本文以模型实验为基础,充分了解盾构施工过程,并在盾构过程中进行发展创新,在研究过程中充分考虑地下水渗流的影响,在模型试验中加入不同高度水头,相应数值模拟中加入不同水压,充分考虑到地下水渗流的对于盾构开挖地表稳定性的影响,以研究成果为基础,应用于济南地铁施工,取得了具有一定理论价值和工程意义的研究成果,主要包括：(1)阐述了城市地下空间开发特别是盾构法施工概况,总结了目前国内外地下水渗流领域的研究现状和研究成果,指出了在考虑地下水渗流作用下盾构施工地面塌陷研究中存在的主要问题,介绍了本文的主要研究内容。(2)研发了盾构施工模型试验台架,配制了符合现场围岩地质力学参数的新型流固耦合相似材料,制作了可多方面研究地表稳定性的可视化平台,研发了水中信息监测方法及自动化信息监测采集装置,并最终应用于济南地铁盾构施工模型试验。(3)开展了复合地层地表稳定性模型试验,研究了复合地层中不同埋深、不同水头高度条件下对地铁盾构施工地表沉降的影响,分析了不同埋深和不同水头高度对地表变形规律的影响,揭示了地表失稳塌陷的演化机制。(4)采用数值计算方法对地下水渗流作用下盾构施工进行了三维数值模拟,分别研究了盾构在上硬下软地层和上软下硬的复合地层施工中,不同隧道埋深、地下水状态对地表变形的影响规律。