随着我国社会经济的飞跃发展,城市化进程不断加剧,核心城区浅埋地下空间已接近达到饱和状态,地下空间的开发已由常规埋深逐步向深埋方向发展。随着隧道埋深的增加,盾构开挖面平衡机理和稳定性与常规埋深下的开挖面存在较大差异,且由于深埋隧道设计理论匮乏、施工经验欠缺,深埋盾构隧道周围土压力分布模式尚不明确,相关理论研究也远远落后于工程实践,给盾构隧道开挖带来极大的风险和安全隐患,深埋盾构开挖面稳定性控制与管片作用荷载的确定,已成为深埋大直径盾构施工中预防环境灾变发生的关键问题。本文以深埋盾构隧道工程为研究对象,借助理论分析、1g物理模型试验和有限元数值模拟等多种研究方法,围绕深埋盾构开挖面失稳破坏机制、深埋盾构隧道开挖力学效应、土拱效应的演化规律、开挖面支护压力与破坏模式之间关系、开挖面局部、整体失稳极限支护压力以及隧周土压力分布的确定等关键科学问题,进行全面系统分析,掌握了盾构掘进过程中土拱效应对周围环境的影响规律。论文的主要研究工作有:(1)不排水条件下诱发各向异性土中盾构掘进力学特征三维弹塑性分析利用解析理论的方法,借助圆柱孔扩张理论和临界状态土力学,结合修正的剑桥模型(K0-MCCModel)本构理论,推导计算出不排水条件下考虑地基土应力诱发各向异性的盾构掘力学特征三维弹塑性解答,并对各影响因素进行了敏感性讨论。(2)干砂地层深埋隧道盾构开挖面主动破坏宏-细观模型试验采用重力环境下的1g物理相似模型试验的方法,研究了不同埋深条件下盾构隧道开挖面因过小支护压力产生整体和局部主动失稳破坏的模式,通过颗粒图像测速技术PIV获得了不同埋深比情况下的开挖面前方土体位移场云图,监测分析了深埋盾构开挖面支护压力的变化与隧道周围土压力的分布。(3)考虑盾构掘进过程的深埋隧道周围土压力分布模型试验设计了室内相似模型试验,研发了一种可以模拟盾构连续动态掘进过程的便捷装置,对深、浅埋盾构隧道土压力分布、地表沉降以及深、浅埋隧道掘进对土体扰动差异机制进行了全面分析,确定了考虑深埋盾构隧道掘进中土拱效应对周围土压力的影响。(4)基于土拱效应的深埋盾构开挖面主动极限支护压力与管片作用荷载分别从局部失稳和整体失稳的角度,考虑开挖面变形过程中前方土体主应力旋转,推导了任意地层条件下深埋盾构开挖面局部、整体失稳极限支护压力的通解;基于土拱效应影响,推导了盾构隧道管片作用荷载的解析式。最后,针对本文研究所取得的成果进行了总结,就论文中尚存的不足之处和研究展望进行了讨论,以期为深埋盾构隧道施工过程中开挖面与隧道结构的稳定性控制提供参考。