盾构在城市地层中掘进时，核心任务是保证施工过程的自身安全和周围环境的安全，鉴于城市环境对地层变形的敏感性特点，因此确保环境的安全尤为重要。盾构常在土层叠落、土质复合的的地层系统中实施掘进，地层系统中常赋存着密集分布的既有结构物。盾构掘进时，土体经历着复杂的加卸载过程，土体及周围环境结构经历着复杂的、动态的相互作用。土体变形从产生、传播到与结构物的相互作用，施工效应实现了从源头到端头的传播与发展。如何有效地评估施工效应并在掘进过程中实现精细化控制成为把控盾构掘进质量的重难点。
　　论文以城市复合成层地层为研究对象，以盾构掘进影响下地层及环境的变形控制为核心，综合采用文献调研、理论分析、数值仿真及现场试验等多种研究手段，针对盾构掘进影响下复合成层地层的变形传播机理及其预测理论、既有环境结构的力学响应及其预测方法、防护措施的隔离机理及隔离效应的评价方法以及施工效应的精细化控制技术进行系统研究，并取得以下主要研究成果：
　　(1)建立了盾构掘进影响下复合成层地层的变形理论预测方法。基于工程实践中不同类型土体的组合状态，提出复合成层地层的概念，即土层的叠落以及土质的复合。以此为研究对象，利用弹性等效理论，结合Loganathan-Poulos预测方法，采用积分手段给出了盾构掘进影响下复合成层地层的平面内变形的计算方法。针对盾构掘进效应的三维特征，建立了考虑盾构掘进参数纵向效应的间隙参数的确定方法，该方法克服了以往计算间隙参数仅考虑当前位置施工参数的局限性。
　　此外，基于弹性等效理论及Mindlin基本解，建立了盾构掘进影响下六类施工参数(开挖面处不平衡力、盾壳-土体间摩擦力、线性衰减的盾尾同步注浆压力、二次补偿注浆压力、施工期间地层附加荷载以及地层损失)对复合成层地层变形贡献的三维沉降的计算方法。通过影响因素分析研究发现：地层中硬层的存在使变形传播呈现“扩展效应”，即使地表沉降减小，影响范围增大；相反，地层中软弱夹层的存在使变形传播呈现“收缩效应”，即使地表沉降增大，影响范围减小。
　　(2)提出了复合成层地层变形的环境响应特征及其预测方法。根据土体与环境结构的相互作用特点，将既有结构分为路面与房屋结构、管线与地铁结构及桩基结构并着重对桩基结构的力学响应进行研究。基于复合成层地层的变形预测模型，综合考虑不同土层的重度、土体侧压力系数与桩土摩擦系数及隧道开挖引起的摩擦桩侧非线性的应力分布特征，提出了纯摩擦桩桩侧阻力损失的计算方法，依据损失情况将隧道施工对桩承载力的影响分为沉降区、受压区与受拉区三个典型区域。进一步将桩基等效为可以考虑地层剪切效应的Pasternak地基模型上的Euler-Bernoulli梁模型，考虑地基抗力系数随土体埋深变化的非线性特征，提出了桩基水平位移及内力的计算方法，研究发现地层中硬层的存在会限制桩基的位移并显著的增大桩基所承受的弯矩。
　　(3)明确了盾构掘进影响下防护措施的隔离机理及隔离效率的评价方法。针对盾构掘进影响下地层变形的传播特征，建立了水平方向注浆加固及竖向隔离两种防护措施隔离效率的预测模型，明确了两措施的隔离机理，并对施工实践提出设计建议。为定量化描述注浆体的隔离效应，首次定义了水平注浆的隔离效率，明确了注浆层“梁式效应”的隔离机理，基于兼顾隔离效率与经济性原则，提出了最优水平注浆加固体参数的确定方法；基于Melan解建立了可考虑土桩相互作用的解析模型，同时可以考虑桩侧与土体及桩端与土体的相对滑移，研究发现隔离桩的位置、几何参数及力学参数对其隔离效率均有重要影响，通过影响因素分析进一步明确了最优隔离桩参数的确定方法。
　　(4)提出了大断面城市盾构隧道施工效应的精细化过程控制技术。针对盾构施工过程控制中经验化和滞后性的不足，提出了以精细化过程控制为目标的透明施工技术的理论框架及技术流程。明确了该技术的基础为变形标准确定、变形响应预测、变形响应监测和变形过程控制，核心为掘进过程中对预测模型及土体参数的修正及对施工参数的动态反馈调整，技术框架为掘进前的前馈控制、掘进中的过程协同控制及掘进后的反馈控制。透明施工技术统一了控制流程，可实现工程响应的精细化过程控制，为复杂城市环境下大断面盾构隧道的安全掘进提供保障并在京张高铁清华园隧道下穿知春路地铁站的工程中成功应用。