本研究针对砂土覆盖型岩溶复合地层中盾构隧道施工引起的安全控制问题,应用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法,深入探讨了盾构在岩溶与砂土界面附近施工引起溶洞失稳的机理与影响因素,提出了安全施工的控制方法。基于分形理论、现场钻探与溶洞注浆数据,提出了隧道沿线区域溶洞注浆量的预估方法。基于极限平衡理论,导出了盾尾注浆诱发溶洞洞口张开破坏的理论模型,并给出了临界盾尾注浆压力的计算公式。应用数值方法分析了盾尾体积损失致溶洞过大变形的安全距离。基于现场测试数据,深入探讨了岩溶地区盾构施工保证溶洞安全的控制参数及其对地表沉降的影响。本研究的主要内容和创新成果如下:1)隧道沿线区域溶洞注浆量的预估计算方法:针对溶洞因分布分散、形状各异而在实践中难以确定体积的问题,利用分形理论找到隧道沿线区域溶洞发育的分形规律。根据地质勘察报告数据求得溶洞分布的分形维数,利用分形参数计算溶洞体积;再根据现场溶洞注浆量得到溶洞注浆量和溶洞体积的比例系数,即溶洞注浆量系数;进而根据溶洞体积和溶洞注浆量系数计算整个隧道沿线区域溶洞注浆量。基于上述研究提出了采用地质勘察报告数据估算隧道沿线区域溶洞注浆量的理论方法与修正系数。2)盾尾注浆诱发溶洞洞口张开破坏的理论模型与盾构安全施工临界盾尾注浆压力:在上覆砂土岩溶地层界面附近进行盾构隧道施工的过程中,当盾尾注浆压力达到一定值,应力传递至洞口会诱发灰岩中溶洞的洞口张开,砂土随着浆液流入溶洞内,致使溶洞变形甚至破坏。针对这一问题,基于极限平衡理论,推导了盾尾注浆诱发溶洞洞口张开破坏的理论模型;将盾尾注浆压力简化为环向均布力,基于半无限弹性平面内圆孔受均布力的Verruijt复变函数解答,推导出溶洞洞口张开量的计算公式,并基于该公式得到临界盾尾注浆压力。临界盾尾注浆压力随溶洞与隧道垂直距离的增大而减小,随着隧道直径的增大而增大,随着隧道埋深的增大而减小。利用上述导出的公式分析确定了广州地铁9号线区间隧道施工的临界盾尾注浆压力。3)盾尾体积损失致溶洞过大变形的安全距离:针对盾尾体积损失致溶洞过大变形的问题,应用数值方法,建立了三维隧道开挖分析的数值模型,分析盾构隧道开挖引起溶洞变形的规律:(1)当溶洞位于隧道下方时,溶洞洞顶的竖向位移随着溶洞与隧道垂直距离的增大而减小,随着溶洞直径的增大而增大,深埋隧道产生的溶洞洞顶的竖向位移小于浅埋隧道产生的溶洞洞顶的竖向位移。溶洞在竖直平面的表现为“压扁”的椭圆形变形,在水平面表现为向外的“扩张”变形。溶洞变形量随着溶洞与隧道距离的增大而减小,随着溶洞直径的增大而增大。深埋隧道产生的变形较浅埋隧道小。(2)当溶洞位于隧道侧方时,溶洞洞顶的竖向位移和溶洞的侧向位移随溶洞与隧道水平距离的增大而减小,随着溶洞直径的增大而增大,深埋隧道产生的溶洞洞顶的竖向位移和溶洞的侧向位移小于浅埋隧道产生的溶洞洞顶的竖向位移和溶洞的侧向位移;溶洞近隧道一侧的变形比远隧道一侧的变形大。溶洞的变形随溶洞与隧道水平距离的增大而减小,随着溶洞直径的增大而增大。深埋隧道产生的隧道变形较浅埋隧道小。广州地区隧道与溶洞的安全垂直距离为1.9倍隧道直径,隧道与溶洞的安全水平距离为2.1倍隧道直径。4)岩溶地区盾构施工的安全控制参数及其对地表沉降的影响:根据广州地铁9号线的实测数据,分析总结了地质条件(溶洞分布与大小)、盾构尺寸、施工参数对隧道轴线偏差与地表沉降的影响规律,提出了保护环境的盾构施工控制工艺与参数。施工参数的影响为:总推力随着刀盘扭矩的增大而增大;掘进速度随着螺旋机转速的增大而增大;通过调整掘进速度和螺旋机转速的大小控制土压力。在岩溶地层砂土灰岩界面进行盾构隧道施工时,垂直轴线要低于盾构设计轴线,须根据渣土判断掌子面软土和岩石比例,及时调整盾构施工参数,避免产生过大的地表沉降。岩溶地区盾构隧道上方地表沉降满足Peck公式中提出的沉降槽规律,地层损失率范围为1.1%~2.5%。盾构通过砂土灰岩复合地层时,地表沉降较大,最大值达85.8mm。建立了考虑隧道尺寸、地质条件、隧道施工三个方面15个参数的BP神经网络模型结构,利用该模型可很好地预测地表沉降。