在城市地下工程中,地铁隧道的施工不可避免地产生地表变形,以及导致建筑物的不均匀沉降等现象,这种现象尤其是在修建地铁突变断面群洞隧道时表现得尤为突出。由于城市地铁周边地面建筑物和各种地下管线众多,往往对隧道施工产生的地表沉降有着严格的限制。因此,对隧道地表沉降做出较为准确的预测和采取相应的控制措施是十分重要的。本文以北京地铁五号线和平西桥站～北土城东路站渡线区群洞隧道为研究背景,采用大型隧道专业软件Midas/GTS进行有限元数值模拟分析,着重研究群洞隧道施工过程中地表沉降的规律、群洞隧道施工方案的优化及地表沉降的影响因素等。渡线区内连拱隧道的开挖是该工程的一个难点,施工方案需要单独考虑。本文首创了连拱隧道双洞法施工工法,并通过有限元软件GTS对连拱隧道的中洞法和双洞法两种施工工法进行数值模拟的研究,从施工进度、初期支护内力、二次衬砌安全系数三个方面对计算结果进行了对比,确定双洞法作为开挖方案,并对双洞法的开挖工况进行了计算分析,确定了最优的开挖顺序,并在施工中得到了应用。突变大断面隧道的过渡是变截面隧道施工的关键技术。为达到突变断面安全、快速过渡的目的,本文率先提出纵横导洞法开挖方案,开创了由大断面直接向小断面开挖的新思路,与原设计方案小导坑爬坡扩挖法比较有非常明显的优势。本文基于优化方案首次对整个渡线区群洞隧道的施工过程进行了三维动态数值模拟研究,得出:(1)施工完成时地表最大沉降为37mm,地表沉降较大的区域主要集中在左右线大断面隧道的上方;(2)计算分析表明,小间距隧道施工过程中,围岩是稳定的,但开始段中间土柱较薄时塑性区已经贯通,建议在施工过程中对三洞小间距隧道开始段2m范围的中间土柱进行加固;(3)从塑性区和地层围岩变形来看,大断面开挖、大断面隧道临时支护拆除、连拱隧道开挖、纵横导洞开口处施工所引起的塑性区和地层变形值较大,为施工薄弱环节,施工过程中应注意,需加强该部位的支护、减少开挖进尺,及时封闭成环;(4)从施工过程的受力、变形、塑性区分布来看,施工过程安全稳定,施工效果较好,说明突变断面的纵横导洞法施工方案和连拱隧道双洞法施工方案是合理可行的,能够确保周围环境以及施工过程中结构自身的安全。该数值计算分析结果预测了优化方案的施工效应,为工程实际开挖提供指导,为优化施工方案提供理论依据,也为类似工程提供宝贵的经验很设计依据。