目前我国以地铁工程建设为主导的城市地下空间开发利用已经进入高潮。由于城市地下工程的复杂性和不确定性,在城市高可靠性运行要求与极度脆弱的环境条件下进行地铁隧道施工时,如果控制不当很容易诱发各类灾变,造成重大的人员伤亡和经济损失。安全性问题已经成为我国地铁工程建设首先必须解决的关键问题。为了提高地铁隧道施工的安全性,需要对地铁隧道施工灾变机理及灾变链式效应进行深入的研究。本文以地铁隧道、地层和既有建筑物组成的结构体系为研究对象,围绕地铁隧道施工引发的工程灾变、环境灾变、以及工程灾变传导引起环境灾变的链式效应,采用理论分析、数值模拟、模型试验和现场监测相结合的方法,对地铁隧道施工引起三维地层变形的特征、地铁隧道施工引起开挖面失稳的机理、地层变形引起建筑物力学响应的特征、地铁隧道施工灾变链与断链减灾措施进行了系统的研究,主要研究工作与成果如下:（1）提出了地铁隧道施工引起三维地层变形的预测方法。采用考虑非均匀收敛和椭圆化的地铁隧道变形模式,基于虚像法提出了隧道施工引起的三维地层变形的预测方法,该方法对黏性土地层和砂性土地层均适用。阐明了隧道施工引起的三维地层沉降和地层横向位移的特征,揭示了三维地层变形随典型因素的变化规律。结果表明:横向地表沉降主要发生在隧道两侧距离隧道轴线H/tan（45°+φ/2）+R的范围内,纵向地表沉降的变化主要局限在距离开挖面±2H的范围内。最大地表横向位移的位置随着内摩擦角和泊松比的增大分别向着靠近隧道轴线的方向移动和固定不变,随着隧道埋深和隧道直径的增大而向着远离隧道轴线的方向移动。最大地层横向位移始终出现在隧道起拱线附近,与上述四个典型因素的变化无关。（2）建立了地铁隧道开挖面稳定性的三维分析模型。基于极限平衡法建立了考虑无支护段长度的三维对数螺旋-棱柱体模型,该模型的形状更符合砂性土地层中实际破坏区的形状,对盾构隧道和浅埋暗挖隧道均适用。提出了均质地层和成层地层情况下极限支护压力的计算公式,揭示了极限支护压力和破坏区随不同因素的变化规律以及极限支护压力对不同影响因素的敏感性。结果表明:极限支护压力与土体重度、黏聚力和地表荷载呈线性关系,并且随着隧道直径、无支护段长度和宽高比的增大而显著增大。当覆跨比大于2.0时,覆跨比对极限支护压力的影响很小。破坏区的范围随着内摩擦角的增大而明显减小。随着无支护段长度的增大,对数螺旋滑动面逐渐变陡,同时下落区扩展到开挖面的后方。（3）提出了地层变形引起建筑物力学响应的计算方法。通过将条形基础建筑物等效为置于Pasternak地基模型上的Euler-Bernoulli梁,基于两阶段法提出了地层变形引起的砌体结构建筑物和框架结构建筑物力学响应的计算方法,该方法考虑了隧道的掘进过程,适用于建筑物轴线与隧道轴线呈任意夹角的情况。阐明了当建筑物与隧道的相对位置不同时建筑物沉降、转角、弯矩和剪力的特征,揭示了建筑物变形和内力随典型因素的变化规律。结果表明:当开挖面到达建筑物的中点时,建筑物的差异沉降达到最大值,建筑物转角关于建筑物中心线对称。当开挖面位于建筑物的两端时,最大建筑物弯矩出现在建筑物的中点,最大建筑物剪力出现在建筑物长度的1/5和4/5位置附近。建筑物轴线与隧道轴线的夹角、土体的弹性模量和泊松比、建筑物弯曲刚度以及间隙参数对建筑物力学响应的影响很大。（4）建立了地铁隧道施工灾变链的数学模型和断链减灾措施的力学模型。引入灾变链式理论,明确了灾变链的结构关系和演化原理,提出了断链减灾的三种方式。基于突变理论建立了“开挖面失稳→地面塌陷→建筑物破坏”灾变链的数学模型,分析了灾变系统的演化过程。基于当层法建立了水平注浆加固措施的力学模型,提出了加固层对地层变形传递阻断效果的评价指标——阻断效率,揭示了建筑物力学响应和阻断效率随加固层参数的变化规律。结果表明:灾变链的断链减灾方式包括改善外部环境的状态、阻断灾变传导路径、提高承灾体的承受能力三种类型。“开挖面失稳→地面塌陷→建筑物破坏”灾变链的数学模型为尖点突变模型。随着加固层弹性模量和加固层厚度的增大,建筑物的变形和内力逐渐减小而阻断效率逐渐增大。加固层底部距隧道拱顶的距离对建筑物的力学响应和阻断效率无影响。