基于城市浅埋隧道施工安全事故的调研和统计分析结果,地层空洞的失稳破坏是导致地表沉降过大及地面塌陷的重要原因。本文以隧道施工影响下的含空洞地层为研究对象,采用相似模型试验、数值模拟和理论分析等研究手段,揭示了城市浅埋隧道施工影响下含空洞地层的变形和破坏特征,提出了考虑空洞影响的浅埋隧道施工引起的地表沉降曲线预测模型,建立了基于贝叶斯网络的含空洞地层中隧道施工安全风险分析模型。主要研究成果如下:(1)明确了地层空洞是影响地层变形规律的重要因素,揭示了地层空洞尺寸和空间位置对地层变形的影响规律:空洞大小以及空洞与隧道间净距一定时,空洞位于隧道斜上方时引起的地表沉降最大;空洞与隧道间净距越大,引起的地表沉降相对越小;在隧道施工影响下不同位置空洞的变形模式不同,可表现为立式椭球体和卧式椭球体等变形模式。(2)通过模型试验揭示了浅埋隧道施工影响下含空洞地层的破坏特征。地层空洞导致隧道施工影响下地层破坏过程更加复杂和迅速,破坏程度更加剧烈,地表塌陷范围更大;隧道开挖引起的地层破坏过程中,地表裂缝在隧道洞周围岩破坏之前出现;无空洞和空洞位于隧道正上方时,地表裂缝出现的位置和数量均关于隧道呈对称分布。当空洞位于隧道斜上方和右侧时,首条地表裂缝通常出现在空洞对侧地表,且位于空洞对侧的地表裂缝在数量和尺寸上均大于空洞一侧。(3)基于隧道施工影响下含空洞地层地表沉降槽形态特征,考虑地表沉降曲线宽度、深度变化及位置偏移,建立了适用于含空洞地层的地表沉降曲线预测公式,提出了预测公式中经验参数的确定方法,通过与其他预测方法的对比验证了本文预测公式的合理性。(4)以空洞大小、位置和空洞与隧道间净距为主要风险因素,以大量工况的数值模拟得到的地表沉降、隧道拱顶沉降、拱腰收敛和塑性区贯通状态为风险评价指标,建立了基于贝叶斯网络的含空洞地层浅埋隧道施工安全风险分析模型。通过该模型进行风险分析、预测和诊断,确定了空洞大小是影响地表沉降和拱顶沉降的敏感因素,空洞与隧道间净距是影响拱腰收敛和塑性区贯通状态的敏感因素。(5)在城市含空洞地层中浅埋隧道施工安全风险分析模型基础上,确定了含空洞地层安全风险分区,针对处于不同风险分区内地层空洞,提出了施作注浆加固圈或填充空洞等安全处置措施,以确保城市含空洞地层中浅埋隧道施工安全。