地层条件的复杂性主要表现为地层岩性多变,且经历多次地质活动,地层中赋存了各种形式的缺陷结构,相对地层而言,缺陷结构属于细观层面,是地层中的细观结构。在城市地铁建设中,隧道施工不可避免地对地层细观结构造成扰动,使细观结构变形、失稳,进而引发地表沉降过大、地面塌陷等事故灾害。面对环境条件复杂、地层敏感性高、控制标准严苛的城市地铁建设环境,传统的基于连续介质的地层沉降预测方法对复杂地层的预测结果有效性、可靠性大大降低,无法满足要求。预测过程中应考虑细观结构失稳后的宏观变形效应问题。针对这一系列问题,论文对城市地层中空洞结构分类、空洞结构的失稳机理、影响因素、变形效应、地层变形预测等研究内容进行了系统深入的研究,主要开展工作及研究成果如下：(1)明确了复杂地层的内涵,提出典型空洞形态类型。复杂城市地层是由连续介质的岩土体和缺陷结构体组成的复合结构体,其力学性能表现为整体结构性质。地层缺陷是广义的地层空洞,从形态学上可将地层空洞结构归结为(类)圆形、卧式椭圆形、立式椭圆形三大类。(2)提出空洞结构的三种破坏模式：洞式渐进破坏、梁式破坏、拱式破坏。圆形空洞为渐进破坏,两侧的剪切滑移为初次破坏,顶部破坏为二次破坏；卧式椭圆空洞破坏模式为梁式破坏；立式椭圆空洞破坏模式为拱式破坏；从破坏模式的角度将空洞结构分为了三大类,即洞式、梁式、拱式三种地层空洞类型。(3)建立力学模型分析了空洞结构失稳机制,其破坏机理为拉-剪综合破坏,且与空洞形状、大小、发育深度以及外部荷载密切相关。基于复变函数理论分析,地层中圆形或立式椭圆空洞结构稳定性相对卧式椭圆空洞较好,卧式椭圆空洞以受拉破坏为主。在大量计算分析的基础上给出了空洞地层的分区模式,基于灰色关联度理论分析,空洞结构受拉塑性区范围的决定因素是空洞的大小,剪切塑性区范围的决定因素是外部荷载作用。(4)隧道施工影响下造成空洞结构变形,空洞周边塑性区的分布与其变形方式密切相关。隧道施工影响下地层中圆形空洞的变形方式可分为径向收缩、椭圆化变形、竖向沉降和水平侧移四种基本方式；径向收缩使空洞地层塑性区由左右两侧的局部分布向环形分布发展,椭圆化变形造成空洞顶部和底部围岩剪切屈服,竖向沉降使洞周塑性区由两侧向顶部转移,水平侧移促使空洞两侧剪切屈服。梁式空洞两端的差异沉降值超过临界值后会导致结构失稳。拱式空洞拱脚处的沉降值或水平位移超过临界值后将会导致结构失稳。(5)分析了空洞地层的变形机理,提出了城市隧道施工影响下复杂地层变形的三个层面,即基于地层材料层面的弹塑性变形、基于空洞结构层面的结构控制型变形以及基于地层环境层面的固结性变形。就空洞结构对地层变形的影响效应进行分类。给出了三种类型空洞结构变形效应的表征和计算方法。建立了在考虑时空作用效应后对三个层面的变形进行叠加以实现复杂地层变形准确预测的计算方法。依托北京地铁黄庄站工程进行了应用分析,预测结果的可靠性满足工程要求。