不同地质条件下盾构隧道施工周边环境影响与有效监测预警是地铁建设中的热点问题。本论文考虑石家庄地区以无水砂层为主的地质特点,结合地铁3号线区间盾构施工实践,在收集大量施工数据的基础上,综合应用理论分析、数理统计、数值模拟以及现场实测等相结合的研究方法,进行了无水砂层盾构隧道施工环境影响的系统研究,同时开展了近景摄影测量方法在盾构施工环境影响监测方面的应用研究,构建了符合无水砂层盾构施工环境影响的预警框架。具体研究内容和结论如下:(1)分析了盾构隧道掘进地表沉降的主要影响因素。基于石家庄地铁的无水砂层盾构施工数据对几个区间的盾构选型做出评价,研究盾构选型对地表沉降的影响,并总结选型规律,从而找出关键影响因素。利用SPSS数理统计软件对大量盾构施工参数进行统计分析,详细研究了不同盾构施工参数的影响因素与规律;利用灰色关联和实测数据相关性系数统计揭示了盾构施工参数对地表沉降的影响程度。研究结果表明:在无水砂层地区进行隧道掘进时应优先考虑使用复合式刀盘、小开口率和小刀盘扭矩的盾构机型,以提高开挖面的稳定性;盾构总推力F与注浆量Q、刀盘扭矩T以及掘进速度S的相关性较好;平均土仓压力P与刀盘扭矩T相关性较其他参数最好。以无水砂层为主的地层中,各盾构施工参数对地表沉降的影响程度排序为:掘进速度S、注浆量Q、平均土压P、盾构总推力F、刀盘扭矩T等。(2)推导了有纵向坡度地段盾构隧道掘进地表沉降解析解。联合数值模拟和BP人工神经网络的方法进行土层物理力学参数反演,训练函数采用弹性梯度下降算法使得神经网络很快进入收敛状态,土层物理力学反分析结果能够满足预设精度的要求。针对盾构在带有纵向坡度地段掘进的情形,基于球孔扩张理论和镜像法原理,分别沿盾构掘进方向和隧道埋深方向对地表位移公式积分,推导了纵向斜坡线路下盾构隧道开挖引起地表沉降的解析公式;利用数值模拟标定出无水砂层地区双线隧道影响系数的范围,结合实测数据进行分组试验得出了拟合因子的具体取值。研究结果表明:盾构隧道坡度θ的存在使得土体扰动明显,沉降值随θ增大逐渐增大,上仰掘进引起的地表沉降值小于下俯掘进引起的地表沉降值;无水砂层土层的双线影响系数修正因子大致取值范围为-0.2~0.22,且拟合因子分别取-0.2和0.22时的双线影响系数最为准确。(3)建立了适合石家庄特有地质特点的盾构隧道施工地表沉降经验预测公式。基于大量现场实测资料的回归统计分析和Peck公式修正,得出适合石家庄特有地质特点的经验预测公式,同时开展了双线隧道地表沉降曲线与设计参数间的规律研究。研究结果表明:石家庄地区砂土层沉降预测公式地表最大沉降修正参数α的变化范围大致为0.32~0.57,沉降槽宽度修正系数β的变化范围大致为0.35~0.9。双线隧道最大沉降值相对于双线隧道中轴线偏向先行线一侧,偏离距离为1.7~4m;后行开挖隧道的地表沉降曲线不再符合正态分布,且最大沉降值小于先行开挖隧道。(4)推导了盾构施工地下管线影响的解析解。基于Pasternak双参数弹性地基梁模型,考虑盾构隧道开挖引起的位移场为任意形式,将地表位移场作用在地下管线上的荷载用傅里叶级数表达,进而推导得到了任意荷载形式作用下地下管线挠度和内力表达形式。通过文献已有结论对比及工程实例验证,充分证明了所推导公式的正确性。通过地下管线剪切模量G的敏感性分析,发现地下管线变形随着剪切模量G的增大呈减小的趋势,且本文所推导解析结果在进行剪切模量较大土层的盾构施工地下管线影响分析中计算结果合理。(5)提出了盾构隧道施工邻近建筑物变形影响公式。利用石家庄3号线六个区间隧道的数据,进行了无水砂层沉降槽宽度参数的统计分析,对基础埋深修正系数进行了修正;结合单线隧道修正Peck公式和双线影响系数,推导得到了双线盾构隧道邻近建筑物施工的建筑物沉降和倾斜变形公式;全面考虑设计参数、材料参数以及地质参数的影响,进行了多工况的盾构隧道施工邻近建筑物数值模拟计算。研究结果表明:石家庄无水砂层土层地表沉降槽宽度参数为0.65;由于建筑物的影响,建筑物沉降最大值比Peck公式预测的天然地表沉降最大值小,沉降槽宽度变大,但最大沉降点位置未明显变化;建筑物预测变形曲线和实测沉降曲线的拐点位置基本相符。(6)探讨了近景摄影测量技术在盾构隧道掘进监测中的应用和构建了符合无水砂层盾构施工环境影响的预警机制。通过试验和现场实测,明确了盾构隧道施工地表近景摄影测量的拍摄参数;基于建筑物裂缝二维变动的几何分析,解析推导了近景摄影测量裂缝观测理论公式;针对复杂的隧道-土层-地下管线-邻近建筑物相互作用体系,在其各自变形预警控制基础上辅以相应的现场变形监测,构建了多级设防的盾构施工周边环境预警框架。研究结论表明:适合近景摄影测量地表变形观测的拍摄参数为28mm的焦距、0.3m的拍摄距离、30°的拍摄角度、1.55 m的拍摄高度;所推导的裂缝观测公式经试验验证可以高精度获得裂缝二维发展情况。